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

L’introspection de machine virtuelle (VM) consiste à superviser les états et les activités de celles-ci depuis la couche de virtualisation, tirant ainsi avantage de son emplacement qui offre à la fois une bonne visibilité des états et des activités des VMs ainsi qu’une bonne isolation de ces dernières. Cependant, les états et les activités des VMs à superviser sont vus par la couche de virtualisation comme une suite binaire de bits et d’octets en plus des états des ressources virtuelles. L’écart entre la vue brute disponible à la couche de virtualisation et celle nécessaire pour la supervision de sécurité des VMs constitue un challenge pour l’introspection appelé « le fossé sémantique ». Pour obtenir des informations sémantiques sur les états et les activités des VMs à fin de superviser leur sécurité, nous présentons dans cette thèse un ensemble de techniques basé sur l’analyse binaire et la réutilisation du code binaire du noyau d’une VM. Ces techniques permettent d’identifier les adresses et les noms de la plupart des fonctions noyau d’une VM puis de les instrumenter (intercepter, appeler et analyser) pour franchir le fossé sémantique de manière automatique et efficiente même dans les cas des optimisations du compilateur et de la randomisation de l’emplacement du code noyau dans la mémoire de la VM. / Virtual Machine Introspection (VMI) consists inmonitoring VMs security from the hypervisor layer which offers thanks to its location a strong visibility on their activities in addition to a strong isolation from them. However, hypervisor view of VMs is just raw bits and bytes in addition to hardware states. The semantic difference between this raw view and the one needed for VM security monitoring presents a significant challenge for VMI called “the semantic gap”. In order to obtain semantic information about VM states and activities for monitoring their security from the hypervisor layer, we present in this thesis a set of techniques based on analysis and reuse of VM kernel binary code. These techniques enable to identify addresses and names of most VM kernel functions then instrument (call, intercept and analyze) them to automatically bridge the semantic gap regardless of challenges presented by compiler optimizations and kernel base address randomization.

Avec les avancées récentes en microélectronique, en traitement numérique et en technologie de communication, les noeuds de réseau de capteurs sans fil (noeud RCSF) deviennent de moins en moins encombrants et coûteux. De ce fait la technologie de RCSF est utilisée dans de larges domaines d’application. Comme les noeuds RCSF sont limités en taille et en coût, ils sont en général équipés d’un petit microcontrôleur de faible puissance de calcul et de mémoire etc. De plus ils sont alimentés par une batterie donc son énergie disponible est limitée. A cause de ces contraintes, la plateforme logicielle d’un RCSF doit consommer peu de mémoire, d’énergie, et doit être efficace en calcul. Toutes ces contraintes rendent les développements de logiciels dédiés au RCSF très compliqués. Aujourd’hui le développement d’un système d’exploitation dédié à la technologie RCSF est un sujet important. En effet avec un système d’exploitation efficient, les ressources matérielles d’une plateforme RCSF peuvent être utilisées efficacement. De plus, un ensemble de services système disponibles permet de simplifier le développement d’une application. Actuellement beaucoup de travaux de recherche ont été menés pour développer des systèmes d’exploitation pour le RCSF tels que TinyOS, Contiki, SOS, openWSN, mantisOS et simpleRTJ. Cependant plusieurs défis restent à relever dans le domaine de système d’exploitation pour le RCSF. Le premier des défis est le développement d’un système d’exploitation temps réel à faible empreinte mémoire dédié au RCSF. Le second défi est de développer un mécanisme permettant d’utiliser efficacement la mémoire et l’énergie disponible d’un RCSF. De plus, comment fournir un développement d’application pour le RCSF reste une question ouverte. Dans cette thèse, un nouveau système d’exploitation hybride, temps réel à énergie efficiente et à faible empreinte mémoire nommé MIROS dédié au RCSF a été développé. Dans MIROS, un ordonnanceur hybride a été adopté ; les deux ordonnanceurs évènementiel et multithread ont été implémentés. Avec cet ordonnanceur hybride, le nombre de threads de MIROS peut être diminué d’une façon importante. En conséquence, les avantages d’un système d’exploitation évènementiel qui consomme peu de ressource mémoire et la performance temps réel d’un système d’exploitation multithread ont été obtenues. De plus, l’allocation dynamique de la mémoire a été aussi réalisée dans MIROS. La technique d’allocation mémoire de MIROS permet l’augmentation de la zone mémoire allouée et le réassemblage des fragments de mémoire. De ce fait, l’allocation de mémoire de MIROS devient plus flexible et la ressource mémoire d’un noeud RCSF peut être utilisée efficacement. Comme l’énergie d’un noeud RCSF est une ressource à forte contrainte, le mécanisme de conservation d’énergie a été implanté dans MIROS. Contrairement aux autres systèmes d’exploitation pour RCSF où la conservation d’énergie a été prise en compte seulement en logiciel, dans MIROS la conservation d’énergie a été prise en compte à la fois en logiciel et en matériel. Enfin, pour fournir un environnement de développement convivial aux utilisateurs, un nouveau intergiciel nommé EMIDE a été développé et intégré dans MIROS. EMIDE permet le découplage d’une application de système. Donc le programme d’application est plus simple et la reprogrammation à distance est plus performante, car seulement les codes de l’application seront reprogrammés. Les évaluations de performance de MIROS montrent que MIROS est un système temps réel à faible empreinte mémoire et efficace pour son exécution. De ce fait, MIROS peut être utilisé dans plusieurs plateformes telles que BTnode, IMote, SenseNode, TelosB et T-Mote Sky. Enfin, MIROS peut être utilisé pour les plateformes RCSF à fortes contraintes de ressources. / With the recent advances in microelectronic, computing and communication technologies, wireless sensor network (WSN) nodes have become physically smaller and more inexpensive. As a result, WSN technology has become increasingly popular in widespread application domains. Since WSN nodes are minimized in physical size and cost, they are mostly restricted to platform resources such as processor computation ability, memory resources and energy supply. The constrained platform resources and diverse application requirements make software development on the WSN platform complicated. On the one hand, the software running on the WSN platform should be small in the memory footprint, low in energy consumption and high in execution efficiency. On the other hand, the diverse application development requirements, such as the real-time guarantee and the high reprogramming performance, should be met by the WSN software. The operating system (OS) technology is significant for the WSN proliferation. An outstanding WSN OS can not only utilize the constrained WSN platform resources efficiently, but also serve the WSN applications soundly. Currently, a set of WSN OSes have been developed, such as the TinyOS, the Contiki, the SOS, the openWSN and the mantisOS. However, many OS development challenges still exist, such as the development of a WSN OS which is high in real-time performance yet low in memory footprint; the improvement of the utilization efficiency to the memory and energy resources on the WSN platforms, and the providing of a user-friendly application development environment to the WSN users. In this thesis, a new hybrid, real-time, energy-efficient, memory-efficient, fault-tolerant and user-friendly WSN OS MIROS is developed. MIROS uses the hybrid scheduling to combine the advantages of the event-driven system's low memory consumption and the multithreaded system's high real-time performance. By so doing, the real-time scheduling can be achieved on the severely resource-constrained WSN platforms. In addition to the hybrid scheduling, the dynamic memory allocators are also realized in MIROS. Differing from the other dynamic allocation approaches, the memory heap in MIROS can be extended and the memory fragments in the MIROS can be defragmented. As a result, MIROS allocators become flexible and the memory resources can be utilized more efficiently. Besides the above mechanisms, the energy conservation mechanism is also implemented in MIROS. Different from most other WSN OSes in which the energy resource is conserved only from the software aspect, the energy conservation in MIROS is achieved from both the software aspect and the multi-core hardware aspect. With this conservation mechanism, the energy cost reduced significantly, and the lifetime of the WSN nodes prolonged. Furthermore, MIROS implements the new middleware software EMIDE in order to provide a user-friendly application development environment to the WSN users. With EMIDE, the WSN application space can be decoupled from the low-level system space. Consequently, the application programming can be simplified as the users only need to focus on the application space. Moreover, the application reprogramming performance can be improved as only the application image other than the monolithic image needs to be updated during the reprogramming process. The performance evaluation works to the MIROS prove that MIROS is a real-time OS which has small memory footprint, low energy cost and high execution efficiency. Thus, it is suitable to be used on many WSN platforms including the BTnode, IMote, SenseNode, TelosB, T-Mote Sky, etc. The performance evaluation to EMIDE proves that EMIDE has less memory cost and low energy consumption. Moreover, it supports small-size application code. Therefore, it can be used on the high resource-constrained WSN platforms to provide a user-friendly development environment to the WSN users.

L’observation de l’exécution d’applications JavaScript est habituellement réalisée en instrumentant une machine virtuelle (MV) industrielle ou en effectuant une traduction source-à-source ad hoc et complexe. Ce mémoire présente une alternative basée sur la superposition de machines virtuelles. Notre approche consiste à faire une traduction source-à-source d’un programme pendant son exécution pour exposer ses opérations de bas niveau au travers d’un modèle objet flexible. Ces opérations de bas niveau peuvent ensuite être redéfinies pendant l’exécution pour pouvoir en faire l’observation. Pour limiter la pénalité en performance introduite, notre approche exploite les opérations rapides originales de la MV sous-jacente, lorsque cela est possible, et applique les techniques de compilation à-la-volée dans la MV superposée. Notre implémentation, Photon, est en moyenne 19% plus rapide qu’un interprète moderne, et entre 19× et 56× plus lente en moyenne que les compilateurs à-la-volée utilisés dans les navigateurs web populaires. Ce mémoire montre donc que la superposition de machines virtuelles est une technique alternative compétitive à la modification d’un interprète moderne pour JavaScript lorsqu’appliqué à l’observation à l’exécution des opérations sur les objets et des appels de fonction. / Run-time monitoring of JavaScript applications is typically achieved by instrumenting a production virtual machine or through ad-hoc, complex source-to-source transformations. This dissertation presents an alternative based on virtual machine layering. Our approach performs a dynamic translation of the client program to expose low-level operations through a flexible object model. These low-level operations can then be redefined at run time to monitor the execution. In order to limit the incurred performance overhead, our approach leverages fast operations from the underlying host VM implementation whenever possible, and applies Just-In-Time compilation (JIT) techniques within the added virtual machine layer. Our implementation, Photon, is on average 19% faster than a state-of-the-art interpreter, and between 19× and 56× slower on average than the commercial JIT compilers found in popular web browsers. This dissertation therefore shows that virtual machine layering is a competitive alternative approach to the modification of a production JavaScript interpreter when applied to run-time monitoring of object operations and function calls.

Cette thèse propose un nouveau paradigme de représentation d'applications pour les machines virtuelles, capable d'abstraire l'architecture des systèmes informatiques. Les machines virtuelles actuelles reposent sur un modèle unique de représentation d'application qui abstrait les instructions des machines et sur un modèle d'exécution qui traduit le fonctionnement de ces instructions vers les machines cibles. S'ils sont capables de rendre les applications portables sur une vaste gamme de systèmes, ces deux modèles ne permettent pas en revanche d'exprimer la concurrence sur les instructions. Or, celle-ci est indispensable pour optimiser le traitement des applications selon les ressources disponibles de la plate-forme cible. Nous avons tout d'abord développé une représentation " universelle " d'applications pour machine virtuelle fondée sur la modélisation par graphe flux de données. Une application est ainsi modélisée par un graphe orienté dont les sommets sont des unités de calcul (les acteurs) et dont les arcs représentent le flux de données passant au travers de ces sommets. Chaque unité de calcul peut être traitée indépendamment des autres sur des ressources distinctes. La concurrence sur les instructions dans l'application est alors explicite. Exploiter ce nouveau formalisme de description d'applications nécessite de modifier les règles de programmation. A cette fin, nous avons introduit et défini le concept de " Représentation Canonique et Minimale " d'acteur. Il se fonde à la fois sur le langage de programmation orienté acteur CAL et sur les modèles d'abstraction d'instructions des machines virtuelles existantes. Notre contribution majeure qui intègre les deux nouvelles représentations proposées, est le développement d'une " Machine Virtuelle Universelle " (MVU) dont la spécificité est de gérer les mécanismes d'adaptation, d'optimisation et d'ordonnancement à partir de l'infrastructure de compilation Low-Level Virtual Machine. La pertinence de cette MVU est démontrée dans le contexte normatif du codage vidéo reconfigurable (RVC). En effet, MPEG RVC fournit des applications de référence de décodeurs conformes à la norme MPEG-4 partie 2 Simple Profile sous la forme de graphe flux de données. L'une des applications de cette thèse est la modélisation par graphe flux de données d'un décodeur conforme à la norme MPEG-4 partie 10 Constrained Baseline Profile qui est deux fois plus complexe que les applications de référence MPEG RVC. Les résultats expérimentaux montrent un gain en performance en exécution de deux pour des plates-formes dotées de deux cœurs par rapport à une exécution mono-cœur. Les optimisations développées aboutissent à un gain de 25% sur ces performances pour des temps de compilation diminués de moitié. Les travaux effectués démontrent le caractère opérationnel et universel de cette norme dont le cadre d'utilisation dépasse le domaine vidéo pour s'appliquer à d'autres domaine de traitement du signal (3D, son, photo...)

No description available.

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Cette thèse propose un nouveau paradigme de représentation d’applications pour les machines virtuelles, capable d’abstraire l’architecture des systèmes informatiques. Les machines virtuelles actuelles reposent sur un modèle unique de représentation d’application qui abstrait les instructions des machines et sur un modèle d’exécution qui traduit le fonctionnement de ces instructions vers les machines cibles. S’ils sont capables de rendre les applications portables sur une vaste gamme de systèmes, ces deux modèles ne permettent pas en revanche d’exprimer la concurrence sur les instructions. Or, celle-ci est indispensable pour optimiser le traitement des applications selon les ressources disponibles de la plate-forme cible. Nous avons tout d’abord développé une représentation « universelle » d’applications pour machine virtuelle fondée sur la modélisation par graphe flux de données. Une application est ainsi modélisée par un graphe orienté dont les sommets sont des unités de calcul (les acteurs) et dont les arcs représentent le flux de données passant au travers de ces sommets. Chaque unité de calcul peut être traitée indépendamment des autres sur des ressources distinctes. La concurrence sur les instructions dans l’application est alors explicite. Exploiter ce nouveau formalisme de description d'applications nécessite de modifier les règles de programmation. A cette fin, nous avons introduit et défini le concept de « Représentation Canonique et Minimale » d’acteur. Il se fonde à la fois sur le langage de programmation orienté acteur CAL et sur les modèles d’abstraction d’instructions des machines virtuelles existantes. Notre contribution majeure qui intègre les deux nouvelles représentations proposées, est le développement d’une « Machine Virtuelle Universelle » (MVU) dont la spécificité est de gérer les mécanismes d’adaptation, d’optimisation et d’ordonnancement à partir de l’infrastructure de compilation Low-Level Virtual Machine. La pertinence de cette MVU est démontrée dans le contexte normatif du codage vidéo reconfigurable (RVC). En effet, MPEG RVC fournit des applications de référence de décodeurs conformes à la norme MPEG-4 partie 2 Simple Profile sous la forme de graphe flux de données. L’une des applications de cette thèse est la modélisation par graphe flux de données d’un décodeur conforme à la norme MPEG-4 partie 10 Constrained Baseline Profile qui est deux fois plus complexe que les applications de référence MPEG RVC. Les résultats expérimentaux montrent un gain en performance en exécution de deux pour des plates-formes dotées de deux cœurs par rapport à une exécution mono-cœur. Les optimisations développées aboutissent à un gain de 25% sur ces performances pour des temps de compilation diminués de moitié. Les travaux effectués démontrent le caractère opérationnel et universel de cette norme dont le cadre d’utilisation dépasse le domaine vidéo pour s’appliquer à d’autres domaine de traitement du signal (3D, son, photo…) / This thesis proposes a new paradigm that abstracts the architecture of computer systems for representing virtual machines’ applications. Current applications are based on abstraction of machine’s instructions and on an execution model that reflects operations of these instructions on the target machine. While these two models are efficient to make applications portable across a wide range of systems, they do not express concurrency between instructions. Expressing concurrency is yet essential to optimize processing of application as the number of processing units is increasing in computer systems. We first develop a “universal” representation of applications for virtual machines based on dataflow graph modeling. Thus, an application is modeled by a directed graph where vertices are computation units (the actors) and edges represent the flow of data between vertices. Each processing units can be treated apart independently on separate resources. Concurrency in the instructions is then made explicitly. Exploit this new description formalism of applications requires a change in programming rules. To that purpose, we introduce and define a “Minimal and Canonical Representation” of actors. It is both based on actor-oriented programming and on instructions ‘abstraction used in existing Virtual Machines. Our major contribution, which incorporates the two new representations proposed, is the development of a “Universal Virtual Machine” (UVM) for managing specific mechanisms of adaptation, optimization and scheduling based on the Low-Level Virtual Machine (LLVM) infrastructure. The relevance of the MVU is demonstrated on the MPEG Reconfigurable Video Coding standard. In fact, MPEG RVC provides decoder’s reference application compliant with the MPEG-4 part 2 Simple Profile in the form of dataflow graph. One application of this thesis is a new dataflow description of a decoder compliant with the MPEG-4 part 10 Constrained Baseline Profile, which is twice as complex as the reference MPEG RVC application. Experimental results show a gain in performance close to double on a two cores compare to a single core execution. Developed optimizations result in a gain on performance of 25% for compile times reduced by half. The work developed demonstrates the operational nature of this standard and offers a universal framework which exceeds the field of video domain (3D, sound, picture...)

L’un des principaux défis des fournisseurs de services cloud est d’offrir aux utilisateurs une performance acceptable, tout en minimisant les besoins en matériel et énergie. Dans cette thèse CIFRE menée avec Outscale, un fournisseur de cloud, nous visons à optimiser l’allocation des ressources en utilisant de nouvelles sources d’information. Nous caractérisons la charge de travail pour comprendre le stress résultant sur l’orchestrateur, et la compétition pour les ressources disponibles qui dégrade la qualité de service. Nous proposons un modèle pour prédire la durée d’exécution des VMs à partir de caractéristiques prédictives disponibles au démarrage. Enfin, nous évaluons la sensibilité aux erreurs d’un algorithme de placement des VMs de la littérature qui se base sur ces prédictions. Nous ne trouvons pas d’intérêt à coupler note système prédictif avec cet algorithme, mais nous proposons d’autres façons d’utiliser les prédictions pour optimiser le placement des VMs. / One of the main challenges for cloud computing providers remains to offer trustable performance for all users, while maintaining an efficient use of hardware and energy resources. In the context of this CIFRE thesis lead with Outscale, apublic cloud provider, we perform an in-depth study aimed at making management algorithms use new sources of information. We characterize Outscale’s workload to understand the resulting stress for the orchestrator, and the contention for hardware resources. We propose models to predict the runtime of VMs based on features which are available when they start. We evaluate the sensitivity with respect to prediction error of a VM placement algorithm from the literature that requires such predictions. We do not find any advantage in coupling our prediction model and the selected algorithm, but we propose alternative ways to use predictions to optimize the placement of VMs.

Dans cette thèse nous étudions l'isolation mémoire et les mesures de communications efficaces par passage de message dans le contexte des environnements à mémoire partagée et la programmation orientée-objets. L'état de l'art en la matière se base presque exclusivement sur deux techniques complémentaires dites de propriété des objets (ownership) et d'unicité de références (reference uniqueness) afin d'adresser les problèmes de sécurité dans les programmes concurrents. Il est frappant de constater que la grande majorité des travaux existants emploient des méthodes de vérification statique des programmes, qui requirent soit un effort d'annotations soit l'introduction de fortes contraintes sur la forme et les références vers messages échangés. Notre contribution avec SIAAM est la démonstration d'une solution d'isolation réalisée uniquement à l'exécution et basée sur le modèle de programmation par acteurs. Cette solution purement dynamique ne nécessite ni annotations ni vérification statique des programmes. SIAAM permet la communication sans copie de messages de forme arbitraire. Nous présentons la sémantique formelle de SIAAM ainsi qu'une preuve d'isolation vérifiée avec l'assistant COQ. L'implantation du modèle de programmation pour le langage Java est réalisé dans la machine virtuelle JikesRVM. Enfin nous décrivons un ensemble d'analyses statiques qui réduit automatiquement le cout à l'exécution de notre approche.