La virtualisation apparait comme étant une solution clé pour révolutionner l'architecture des réseaux comme Internet. La croissance et le succès d'Internet ont fini par aboutir a' son ossification : le déploiement de nouvelles fonctionnalités ou la mise a jour de son architecture ne sont guère possibles, entravant ainsi les innovations. La virtualisation apporte une réponse a cette problématique, en ajoutant une couche d'abstraction entre le matériel et le réseau tel qu'il est vu par les utilisateurs. De tels réseaux virtuels peuvent être gérés et configures de manière flexible et indépendamment les uns des autres, par des opérateurs différents. Ceci crée donc un environnement compétitif qui stimule l'innovation. En étant dématérialisés de cette façon, les réseaux peuvent être déployés a la demande, configures, démarrés, suspendus, sauvegardes, supprimes, etc., comme un en- semble d'objets eux-mêmes programmables, organisées dans une topologie, où chaque objet représente un commutateur, un routeur ou un lien virtuel. La flexibilité qui en résulte donne a l'opérateur la possibilité de configurer la topologie du réseau, et de modifier les piles protocolaires. Parvenir à un tel degré de découplage, permettant d'aboutir a' des changements fondamentaux, est l'un des buts ultimes de la virtualisation des réseaux-- qui est envisagée comme une cl e pour le 'futur' de l'Internet--mais le concept est pour l'instant loin d'être réalisé. Jusqu'à' présent, la virtualisation du réseaux a été déployée dans des plateformes de test ou de recherche, pour permettre aux chercheurs d'expérimenter avec les protocoles de routage, notamment dans les réseaux interconnectant des nœuds de calcul, eux-mêmes virtuels. L'industrie propose des routeurs virtuels pour la consolidation des réseaux afin de réduire les coûts des équipements. Pourtant, dans le but d'introduire la virtualisation dans les réseaux de production comme ceux de l'Internet, plusieurs nouveaux défis apparaissent. La couche supplémentaire interposée entre le matériel et les réseaux virtuels doit prendre en charge le partage des ressources physiques entre les différents réseaux virtuels. Elle introduit potentiellement un surcoût en performance. Dans ce manuscrit, nous nous concentrons sur ces problématiques, en particulier la performance et le partage dans les réseaux virtualises. Ces deux questions sont particulièrement pertinentes, lorsque le plan de données du réseau lui-même est virtualise, pour offrir un maximum d'isolation et de configurabilité dans des réseaux virtuels. Puis, nous examinons les possibles applications des réseaux virtuels, partageant le réseau physique au niveau du plan de données. Dans ce contexte, les contributions présentées dans ce manuscrit peuvent être résumées de la manière suivante. Analyse et évaluation de l'impact des mécanismes de virtualisation sur la performance des communications. Afin d' évaluer l'impact de la virtualisation sur les performances d'un réseau virtualise, nous analysons d'abord différentes technologies qui permettent de virtualiser le plan de données. Puis nous construisons un prototype de routeur virtuel en utilisant des techniques logicielles de virtualisation. La performance réseau d'un tel routeur virtuel est évaluée en détail, en utilisant des configurations logicielles différentes [7] [9] [2]. Les résultats montrent que la performance des communications des serveurs virtuels a augmente durant les dernières années, pour atteindre jusqu'à' 100% du débit maximum sur des interfaces réseau de 1 Gb/s, grâce aux optimisations logicielles. La virtualisation en logiciel est donc une approche prometteuse pour l'expérimentation, mais pour un réseau de production tel qu'Internet, du matériel dédié est requis, pour atteindre de très hauts débits (> 10 Gb/s). Virtualisation de la matrice de commutation. Nous proposons une architecture de commutation virtualisée, qui permet de partager les ressources matérielles d'un commutateur de manière flexible entre plusieurs commutateurs virtuels [5]. Cette architecture de switch virtualisée permet a' des utilisateurs de mettre en place des commutateurs virtuels, instancies au dessus du commutateur physique, chaque commutateur ayant un nombre de ports configurable. De plus, la capacité par port et la taille des tampons mémoire peuvent être dimensionnées. En outre, chaque commutateur virtuel peut disposer de mécanismes d'ordonnancement et de mise en file d'attente de paquets différents. Un ordonnanceur de commutateurs virtuels contrôle le partage des ressources matérielles entre les commutateurs virtuels et assure l'isolation des performances. L'architecture proposée est évaluée par des simulations. Un brevet a été déposé pour cette architecture [VxSwitch]. Isolation et programmation de r eseaux virtuels. Etant virtualisées, les ressources réseau sont partagées par des réseaux virtuels différents. Pour contrôler la quantité de chaque ressource qui est attribuée à chaque réseau virtuel, nous proposons un service de réseaux virtuels. Ce service consiste en l'interconnexion de nœuds par un réseau virtuel, compose de routeurs et de liens virtuels. Les routeurs peuvent être configures afin que chaque réseau virtuel puisse contrôler quel chemin est utilise par son trafic. La bande passante peut être allouée dynamiquement aux liens virtuels. Les ressources physiques sous-jacentes vérifient que chaque lien virtuel fournit la bande passante configurée et qu'il assure un niveau de service garanti [1]. Ce service est implémenté de deux façons. En premier lieu, des routeurs virtuels logiciels interconnectes par des liens virtuels sont utilises [HIPerNet]. Puis, des routeurs et liens virtuels sont crées en utilisant des commutateurs OpenFlow. Des évaluations montrent qu'avec chacune des deux approches, des garanties en termes de bande passante, ainsi que des fonctions de configuration du routage peuvent être fournies a' chaque réseau virtuel. Application des réseaux virtuels. Finalement, le service de réseaux virtuels est applique au contexte des infrastructures virtuelles généralisées, combinant la virtualisation du réseau et des nœuds de calcul. Les utilisateurs peuvent demander une infrastructure virtuelle de calcul, dont les ressources sont interconnectées par un réseau virtuel contrôle. Cette approche est prometteuse pour les réseaux du Cloud ou nuage en français. Nous déployons un tel service dans la plateforme de test Grid'5000, et l'évaluons en utilisant une application distribuée à grande échelle [6]. Les résultats montrent que la configuration de niveaux de service réseau différents impacte directement le temps d'exécution de l'application [3] [12]. Nous validons donc l'importance du contrôle et de l'isolation dans les réseaux virtuels, dans le but de fournir des performances prévisibles a des applications Cloud.

Les avancées récentes de la recherche dans le domaine de la virtualisation des réseaux ainsi que l'émergence de nouveaux acteurs, ont beaucoup motivé la recherche et le développement de nouvelles approches et techniques permettant de relever les défis de l'Internet du Futur. Cette thèse a été motivée par ces avancées et par le besoin de concevoir une architecture d'allocation de réseaux virtuels à la demande à partir d'une infrastructure physique partagée. L'objectif de la thèse était, par conséquent, de concevoir et développer des algorithmes d'optimisation et des méthodes d'allocation de ressources virtuelles pour composer et créer des réseaux virtuels selon les besoins des utilisateurs et les conditions du réseau physique partagé. Ce travail suppose l'existence d'un acteur tiers «broker», appelé fournisseur de réseau virtuel, responsable de négocier et d'allouer des ressources virtuelles, offertes comme des services par des fournisseurs d'infrastructures, et de créer et offrir des réseaux virtuels à la demande pour des utilisateurs. L'objectif de la thèse est donc de développer des mécanismes et des algorithmes de découverte (ou «matching»), de correspondance (ou «mapping») et d'instanciation de réseaux virtuels tout en optimisant l'utilisation des ressources du substrat d'une part, et en réduisant, d'autre part, le coût pour les fournisseurs. Dans une première partie, l'analyse et la comparaison de plusieurs algorithmes d'allocation de réseau virtuel proposés dans la littérature ont été menées. Les différentes phases d'allocation de réseaux virtuels comprenant le matching, le mapping et l'instanciation sont définies et explorées en considérant la présence de plusieurs fournisseurs d'infrastructures (multi-domaine). La deuxième partie de cette thèse porte sur la conception, le développement et l'évaluation des algorithmes heuristiques de découverte (matching) permettant la recherche de correspondance entre les besoins spécifiés par les requêtes de réseau virtuel et les propriétés fonctionnelles (ou statiques) des ressources disponibles du substrat physique. Des techniques de regroupement conceptuel sont utilisées pour faciliter et accélérer la découverte et le matching des ressources virtuelles. Des solutions de partitionnement exactes et heuristiques, basées sur des algorithmes de max-flow/min-cut et des techniques de programmation linéaire, sont également proposées et évaluées pour partitionner les requêtes de réseaux virtuels entre plusieurs fournisseurs d'infrastructures tout en réduisant les coûts. La troisième partie de la thèse se focalise sur la conception, le développement et l'évaluation des algorithmes de mapping heuristiques et exacts qui consistent à extraire un graphe de réseau virtuel à partir d'un graphe de substrat physique d'une manière optimale. Un algorithme de mapping heuristique et distribué, basé sur l'approche multi-agents, est développé et évalué permettant d'améliorer le passage à l'échelle et d'assurer une distribution de charge. Un autre algorithme de mapping exact est également modélisé comme étant un programme linéaire afin d'assurer une sélection optimale des ressources tout en réduisant les coûts et maximisant le taux d'acceptation des requêtes. Dans la dernière partie, des algorithmes d'allocation adaptative de réseaux virtuels sont proposés, développés et évalués pour maintenir des réseaux virtuels suite à des changements dynamiques au niveau des services demandés ou bien au niveau des infrastructures physiques. / Recent advances in computer and network virtualisation combined with the emergence of new actors and business models motivated much research and development of new approaches to face the challenges of future Internet architectures. This thesis was motivated by these advances and by the need for efficient algorithms and frameworks to allocate virtual resources and create on demand virtual networks over shared physical infrastructures. The objective of the thesis has consequently been to conceive and develop provisioning algorithms and methods to set up and maintain virtual networks according to user needs and networking conditions. The work assumes the existence of virtual network providers acting as brokers that request virtual resources, on behalf of users, from multiple infrastructure providers. The investigation and research objective is to explore how virtual resources, offered as a service by infrastructure providers, are allocated while optimising the use of substrate resources and reducing the cost for providers. This thesis starts off with the analysis and comparison of several virtual network provisioning approaches and algorithms proposed in the literature. Provisioning phases are defined and explored including resource matching, embedding and binding. The scenario where multiple infrastructure providers are involved in the virtual network provisioning is addressed and a mathematical model of the VN provisioning problem is formulated. The second part of this thesis provides the design, implementation and evaluation of exact and heuristic matching algorithms to search, find and match virtual network requests with available substrate resources. Conceptual clustering techniques are used to facilitate finding and matching of virtual resources in the initial provisioning phases. Exact and heuristic algorithms are also proposed and evaluated to efficiently split virtual network requests over multiple infrastructure providers while reducing the matching cost. The request splitting problem is solved using both max-flow min-cut algorithms and linear programming techniques. The third part of this thesis presents the design, implementation and evaluation of exact and heuristic embedding algorithms to simultaneously assign virtual nodes and links to substrate resources. A distributed embedding algorithm, relying on a multi-agent based approach, is developed for large scale networks. An exact embedding algorithm, formulated as a mixed integer program, is also proposed and evaluated to ensure optimal node and link mapping while reducing cost and increasing the acceptance ratio of requests. Finally, this thesis presents the design and development of adaptive provisioning frameworks and algorithms to maintain virtual networks subject to dynamic changes in services demands and in physical infrastructures. Adaptive matching and embedding algorithms are designed, developed and evaluated to repair resource failures and dynamically optimize substrate networks utilisation.

Bien qu'Internet soit considéré comme le grand succès de ces dernières années, il est devenu une infrastructure critique à cause de l'absence de changements dans le réseau cœur et de la rigidité des équipements déployés. La mise en place et le déploiement des nouveaux services réseau sont devenus difficiles et coûteux. La virtualisation des réseaux a été présentée comme un nouveau paradigme pour palier aux problèmes de l’architecture actuelle de l'Internet. Dans ce travail de thèse, nous présentons la virtualisation des réseaux et les réseaux définis par logiciels (SDN) comme solution avec laquelle les fournisseurs de services peuvent offrir, au travers des réseaux virtuels (VN), des nouveaux services aux utilisateurs avec une meilleure qualité de service, tout en optimisant l'utilisation des ressources réseaux physiques. La première contribution consiste à démontrer le potentiel de SDN dans la gestion de la QoS dans le contexte d’un réseau domestique virtualisé. Nous proposons et implémentons le mécanisme ''FlowQoS'' qui peut être déployé par un fournisseur d’accès Internet au niveau de la boucle locale ou bien dans la passerelle domestique. Les mesures des performances montrent que cette solution permet de partager la bande passante entre plusieurs applications selon la configuration définie par l’utilisateur pour garantir la QoS pour chaque trafic actif. La seconde contribution est une modélisation, par la théorie des jeux, de l’interaction entre les fournisseurs de services et les fournisseurs de l’infrastructure pour le partage dynamique de l’infrastructure physique entre plusieurs VN avec différents besoins en QoS. Il s'agit d'un ensemble de jeux non-coopératifs pour modéliser la phase de négociation et celle de l’allocation dynamique des nœuds et des liens physiques pour chaque VN déployé. La troisième contribution porte sur une approche prédictive qui permet d’offrir un contrôle adaptatif de l’allocation de bande passante dans le but de réduire les délais des paquets d'un VN sur chaque lien physique. Ces deux dernières contributions offrent des modèles de partage dynamique des ressources d’une infrastructure physique tout en garantissant la QoS pour chaque VN / Internet has been successful in the recent years. The critical infrastructure of the internet has become stagnant due to the absence of changes in the core networks and stiffness of deployed equipment. It has become difficult and expensive to deploy new network services. Network virtualization is a new paradigm to overcome this problem. In this thesis, we present network virtualization and Software Defined Networking (SDN) as a solution that can be used by service providers. It enables them to provide new services to users through virtual networks (VNs) with better quality of service while optimizing the use of physical network resources. Firstly, we demonstrate the potential of SDN in the QoS management ofa virtualized home network (VN). We propose and implement ''FlowQoS'', a mechanism that can be deployed by an Internet Service Provider in the last-mile hop or in the home gateway. Performance measurements show that this solution can share bandwidth between applications according to user-defined configuration to guarantee QoS for each active traffic. The second contribution is modeling the interaction between service providers and infrastructure providers using game theoretic framework to offer dynamic sharing of physical infrastructure across multiple VN with different QoS requirements. We present a set of non-cooperative games to model the negotiation phase and the dynamic allocation of nodes and physical links for each deployed VN. Finally we focus on a predictive approach that allows an adaptive control of bandwidth allocation in order to reduce the packet delays for a given VN on each physical link. The last two contributions offer dynamic sharing models of physical infrastructure resources while guaranteeing the QoS for each VN

Des Réseaux de Capteurs Sans Fil (RdCSF) deviennent omniprésents et sont utilisés dans diverses applications domaines. Ils sont les pierres angulaires de l'émergence de l'Internet des Objets (IdO) paradigme. Déploiements traditionnels de réseaux de capteurs sont spécifiques à un domaine, avec des applications généralement incrustés dans le RdCSF, excluant la ré-utilisation de l'infrastructure par d'autres applications. Maintenant, avec l'avènement de l'IdO, cette approche est de moins en moins viable. Une solution possible réside dans le partage d'une même RdCSF par de plusieurs applications et services, y compris même les applications et services qui ne sont pas envisagées lors du déploiement de RdCSF. Deux principaux développements majeurs ont conduit à cette solution potentielle. Premièrement, comme les nœuds de RdCSF sont de plus en plus puissants, il devient de plus en plus pertinent de rechercher comment pourrait plusieurs applications partager les mêmes déploiements WSN. La deuxième évolution est le Cloud Computing paradigme qui promeut des ressources et de la rentabilité en appliquant le concept de virtualisation les ressources physiques disponibles. Grâce à ces développements de cette thèse fait les contributions suivantes. Tout d'abord, un vaste état de la revue d'art est présenté qui présente les principes de base de RdCSF la virtualisation et sa pertinence avec précaution motive les scénarios sélectionnés. Les travaux existants sont présentés en détail et évaluées de manière critique en utilisant un ensemble d'exigences provenant du scénario. Cette contribution améliore sensiblement les critiques actuelles sur l'état de l'art en termes de portée, de la motivation, de détails, et les questions de recherche futures. La deuxième contribution se compose de deux parties: la première partie est une nouvelle architecture de virtualization RdCSF multicouche permet l'approvisionnement de plusieurs applications et services au cours du même déploiement de RdCSF. Il est mis en œuvre et évaluée en utilisant un prototype basé sur un scénario de preuve de concept en utilisant le kit Java SunSpot. La deuxième partie de cette contribution est l'architecture étendue qui permet à l’infrastructure virtualisée RdCSF d'interagir avec un RdCSF Platform-as-a-Service (PaaS) à un niveau d'abstraction plus élevé. Grâce à ces améliorations RdCSF PaaS peut provisionner des applications et des services RdCSF aux utilisateurs finaux que Software-as-a-Service (SaaS). Les premiers résultats sont présentés sur la base de l'implantation de l'architecture améliorée en utilisant le kit Java SunSpot. La troisième contribution est une nouvelle architecture d'annotation de données pour les applications sémantiques dans les environnements virtualisés les RdCSF. Il permet en réseau annotation de données et utilise des superpositions étant la pierre angulaire. Nous utilisons la base ontologie de domaine indépendant d'annoter les données du capteur. Un prototype de preuve de concept, basé sur un scénario, est développé et mis en œuvre en utilisant Java SunSpot, Kits AdvanticSys et Google App Engine. La quatrième et dernière contribution est l'amélioration à l'annotation de données proposée l'architecture sur deux fronts. L'un est l'extension à l'architecture proposée pour soutenir la création d'ontologie, de la distribution et la gestion. Le deuxième front est une heuristique génétique basée algorithme utilisé pour la sélection de noeuds capables de stocker l'ontologie de base. L'extension de la gestion d'ontologie est mise en oeuvre et évaluée à l'aide d'un prototype de validation de principe à l'aide de Java kit SunSpot, tandis que les résultats de la simulation de l'algorithme sont présentés / Wireless Sensor Networks (WSNs) are becoming ubiquitous and are used in diverse applications domains. Traditional deployments of WSNs are domain-specific, with applications usually embedded in the WSN, precluding the re-use of the infrastructure by other applications. This can lead to redundant deployments. Now with the advent of IoT, this approach is less and less viable. A potential solution lies in the sharing of a same WSN by multiple applications and services, to allow resource- and cost-efficiency. In this dissertation, three architectural solutions are proposed for this purpose. The first solution consists of two parts: the first part is a novel multilayer WSN virtualization architecture that allows the provisioning of multiple applications and services over the same WSN deployment. The second part of this contribution is the extended architecture that allows virtualized WSN infrastructure to interact with a WSN Platform-as-a-Service (PaaS) at a higher level of abstraction. Both these solutions are implemented and evaluated using two scenario-based proof-of-concept prototypes using Java SunSpot kit. The second architectural solution is a novel data annotation architecture for the provisioning of semantic applications in virtualized WSNs. It is capable of providing in-network, distributed, real-time annotation of raw sensor data and uses overlays as the cornerstone. This architecture is implemented and evaluated using Java SunSpot, AdvanticSys kits and Google App Engine. The third architectural solution is the enhancement to the data annotation architecture on two fronts. One is a heuristic-based genetic algorithm used for the selection of capable nodes for storing the base ontology. The second front is the extension to the proposed architecture to support ontology creation, distribution and management. The simulation results of the algorithm are presented and the ontology management extension is implemented and evaluated using a proof-of-concept prototype using Java SunSpot kit. As another contribution, an extensive state-of-the-art review is presented that introduces the basics of WSN virtualization and motivates its pertinence with carefully selected scenarios. This contribution substantially improves current state-of-the-art reviews in terms of the scope, motivation, details, and future research issues