Der Vortrag beschreibt Stand, Entwicklung und Realisierung der Virtualisierungsinfrastruktur am Universitätsrechenzentrum der TU-Chemnitz in Form einer technischen Sicht.

Un nombre important d'outils d'expérimentation permettent aujourd'hui l'étude de problématiques pour les réseaux fixes et mobiles multi sauts. En s'appuyant sur un état de l'art faisant état des différentes fonctionnalités et caractéristiques propres aux outils et méthodes d'expérimentation les plus couramment utilisés, cette thèse vise à évaluer des outils d'expérimentations innovants. Concernant l'étude des réseaux fixes, nous proposons VIRCONEL, un outil permettant la définition de topologies réseaux virtuelles ainsi que la réalisation de scénario dans des conditions réalistes. Pour l'étude des réseaux mobiles multi sauts, nous proposons tout d'abord SILUMOD, un langage qui permet de définir aisément à l'aide de mots clés et d'opérateurs spécifiques les caractéristiques du mouvement d'un nœud mobile. Nous proposons ensuite VIRMANEL, un outil permettant la gestion des connexions entre des nœuds mobiles multi sauts représentés par des machines virtuelles, à l'aide d'un algorithme optimisant la mise à jour des liens effectifs entre ces nœuds mobiles. En associant SILUMOD et VIRMANEL, nous obtenons ainsi un outil capable de simuler les déplacements d'un nœud mobile tout en évaluant et établissant les connections potentielles entre ces nœuds mobiles. Les évaluations de ces outils montrent que si la virtualisation est effectivement un outil pertinent et utile pour l’expérimentation des réseaux, elle a aussi ses limites et le réalisme des résultats dépend des conditions d’expérimentation. Nous discutons de cette problématique et proposons, à l’issue de cette thèse, quelques critères permettant d’évaluer le degré de confiance à accorder à un résultat. / A significant number of experimental tools now allow the study of problems for fixed and mobile multi -hop networks. Based on a state of the art reporting different features and characteristics specific to different testing methods, this thesis aims to provide some assessment of these innovative experiments tools. Concerning the study of fixed networks , we propose and evaluate VIRCONEL , a tool for the definition of virtual network topologies as well as the realization of scenario under realistic conditions. For the study of mobile multi-hop networks , we first propose SILUMOD , a language that allows using specific keywords and operators to easily define characteristics of the movement of a mobile node. We then propose VIRMANEL , a tool for managing connections between mobile nodes represented by virtual machines, using an algorithm optimizing the update of effective links between mobile nodes. By combining SILUMOD and VIRMANEL , we obtain a tool to simulate the movement of a mobile node while evaluating and establishing potential connections between mobile nodes. Evaluations of these tools show that if virtualization is indeed a relevant and useful tool for network experiments , it also has its limitations and the realism of results depends on experimental conditions. We discuss this problem and propose at the end of this thesis , some criteria for assessing the degree of trust to give a result.

Dans cette thèse, nous exploitons la mobilité des véhicules pour créer un médium de communication ad hoc utile pour déployer des services connectés. Notre objectif est de tirer partie des trajets quotidiens effectués en voiture ou en transport en commun pour surmonter les limitations des réseaux de données tels que l’Internet. Dans une première partie, nous profitons de la bande passante que génèrent les déplacements de véhicules équipés de capacités de stockage pour délester en masse l’Internet d’une partie de son trafic. Les données sont détournées vers des équipements de stockage appelés points de délestage installés aux abords de zones où les véhicules s’arrêtent habituellement, permettant ainsi de relayer les données entre véhicules jusqu'au point de délestage suivant où elles pourront éventuellement être déchargées. Nous proposons ensuite deux extensions étendant le concept de point de délestage selon deux directions dans le contexte de services reposant toujours la mobilité des véhicules. Dans la première extension, nous exploitons les capacités de stockage des points de délestage pour concevoir un service de stockage et partage de fichiers offert aux passagers de véhicules. Dans la seconde extension, nous dématérialisons les points de délestage en zones géographiques pré-définies où un grand nombre de véhicules se rencontrent suffisamment longtemps pour transférer de grandes quantités de données. L’évaluation des performances des différents travaux menés au cours de cette thèse montrent que la mobilité inhérente aux entités du quotidien permet la fourniture de services innovants avec une dépendance limitée vis-à-vis des réseaux de données traditionnels. / In this thesis, we exploit the daily mobility of vehicles to create an alternative transmission medium. Our objective is to draw on the many vehicular trips taken by cars or public transports to overcome the limitations of conventional data networks such as the Internet. In the first part, we take advantage of the bandwidth resulting from the mobility of vehicles equipped with storage capabilities to offload large amounts of delay-tolerant traffic from the Internet. Data is transloaded to data storage devices we refer to as offloading spots, located where vehicles stop often and long enough to transfer large amounts of data. Those devices act as data relays, i.e., they store data it is until loaded on and carried by a vehicle to the next offloading spot where it can be dropped off for later pick-up and delivery by another vehicle. We further extend the concept of offloading spots according to two directions in the context of vehicular cloud services. In the first extension, we exploit the storage capabilities of the offloading spots to design a cloud-like storage and sharing system for vehicle passengers. In the second extension, we dematerialize the offloading spots into pre-defined areas with high densities of vehicles that meet long enough to transfer large amounts of data. The performance evaluation of the various works conducted in this thesis shows that everyday mobility of entities surrounding us enables innovative services with limited reliance on conventional data networks.

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.

La virtualisation des infrastructures est devenue un des enjeux majeurs dans la recherche, qui fournissent des consommations d'énergie moindres et des nouvelles opportunités. Face à de multiples menaces et des mécanismes de défense hétérogènes, l'approche autonomique propose une gestion simplifiée, robuste et plus efficace de la sécurité du cloud. Aujourd'hui, les solutions existantes s'adaptent difficilement. Il manque des politiques de sécurité flexibles, une défense multi-niveaux, des contrôles à granularité variable, ou encore une architecture de sécurité ouverte. Ce mémoire présente VESPA, une architecture d'autoprotection pour les infrastructures cloud. VESPA est construit autour de politiques qui peuvent réguler la sécurité à plusieurs niveaux. La coordination flexible entre les boucles d'autoprotection réalise un large spectre de stratégies de sécurité comme des détections et des réactions sur plusieurs niveaux. Une architecture extensible multi plans permet d'intégrer simplement des éléments déjà présents. Depuis peu, les attaques les plus critiques contre les infrastructures cloud visent la brique la plus sensible: l'hyperviseur. Le vecteur d'attaque principal est un pilote de périphérique mal confiné. Les mécanismes de défense mis en jeu sont statiques et difficile à gérer. Nous proposons une approche différente avec KungFuVisor, un canevas logiciel pour créer des hyperviseurs autoprotégés spécialisant l'architecture VESPA. Nous avons montré son application à trois types de protection différents : les attaques virales, la gestion hétérogène multi-domaines et l'hyperviseur. Ainsi la sécurité des infrastructures cloud peut être améliorée grâce à VESPA / Since several years the virtualization of infrastructures became one of the major research challenges, consuming less energy while delivering new services. However, many attacks hinder the global adoption of Cloud computing. Self-protection has recently raised growing interest as possible element of answer to the cloud computing infrastructure protection challenge. Yet, previous solutions fall at the last hurdle as they overlook key features of the cloud, by lack of flexible security policies, cross-layered defense, multiple control granularities, and open security architectures. This thesis presents VESPA, a self-protection architecture for cloud infrastructures. Flexible coordination between self-protection loops allows enforcing a rich spectrum of security strategies. A multi-plane extensible architecture also enables simple integration of commodity security components.Recently, some of the most powerful attacks against cloud computing infrastructures target the Virtual Machine Monitor (VMM). In many case, the main attack vector is a poorly confined device driver. Current architectures offer no protection against such attacks. This thesis proposes an altogether different approach by presenting KungFuVisor, derived from VESPA, a framework to build self-defending hypervisors. The result is a very flexible self-protection architecture, enabling to enforce dynamically a rich spectrum of remediation actions over different parts of the VMM, also facilitating defense strategy administration. We showed the application to three different protection scheme: virus infection, mobile clouds and hypervisor drivers. Indeed VESPA can enhance cloud infrastructure security

Nous nous intéressons dans cette thèse à la maîtrise de processeurs multi-cœurs COTS dans le but de les rendre utilisables dans des équipements avioniques, qui ont des exigences temps réelles dures. L’objectif est de permettre l'application de méthodes connues d’évaluation de pire temps d’exécution (WCET) sur un ensemble de tâches représentatif d’applications avioniques. Au cours de leur exécution, les tâches exécutées sur différents cœurs vont accéder simultanément à des ressources matérielles qui sont partagées entre les cœurs, en particulier la mémoire principale. Cela pourra entraîner des mises en attente de certains accès que l'on qualifie d'interférences. Ces interférences peuvent avoir un impact élevé sur le temps d'exécution du logiciel embarqué. Sur un processeur COTS, qui est acheté dans le commerce et vise un marché plus large que l'avionque, cet impact n'est pas borné. Nous cherchons à garantir l'absence d'interférences grâce à des moyens logiciels, dans la mesure où les processeurs COTS ne proposent pas de mécanismes adéquats au niveau matériel. Nous cherchons à étendre des concepts de logiciel déterministe de telle sorte à les rendre compatibles avec un objectif de réutilisation de logiciel existant. A cet effet, nous introduisons la notion de logiciel de contrôle, qui est un élément fonctionnellement neutre, répliqué sur tous les cœurs, et qui contrôle les dates des accès des cœurs aux ressources communes de telle sorte à offrir une isolation temporelle entre ces accès. Nous étudions dans cette thèse le problème de faisabilité d'un logiciel de contrôle sur un processeur COTS, et de son efficacité vis à vis d'applications avioniques. / We focus in this thesis on issues related to COTS multi-core processors mastering, especially regarding hard real-time constraints, in order to enable their usage in future avionics equipment. We aim at applying existing Worst Case Execution Time (WCET) evaluation methods on a set of tasks similar to those we can find in avionics software. At runtime, tasks executed among different cores are likely to access hardware resources at the same time, e.g. the main memory. It may lead to additional delays due to hardware contention, called “interferences”. Interferences slow down embedded software within ranges that may be important. Additionnally, no bound has been established for their impact on WCET when using COTS processors, that target larger markets than avionics. We try to provide guarantees that all interferences are eliminated through software, as COTS processors do not provide adequate mechanisms at hardware level. We extend deterministic software concepts that have been developed in the state of the art, in order to make them compliant with the use of legacy software. We introduce the concept of "control software", which is functionnaly neutral, is replicated among all cores, and performs active control of core's accesses to shared resources, so that concurrent accesses are temporally isolated. We formalize and study in this thesis the problem of control software feasibility on COTS processors, and questions of efficiency with regard to legacy avionics software.

Cloud computing is increasingly attracting large attention both in academic research and in industrial initiatives. However, despite the popularity, there is a lack of research on the suitability of software tools and parameters for creating and deploying Cloud test beds. Virtualization and how to set up virtual environments can be done through software tools, which are available as open source, but there still needs to be work in terms of which tools to use and how to monitor parameters with the suitability of hardware resources available. This paper discusses the concepts of virtualization, as a practical view point, presenting an in-depth critical analysis of open source cloud implementation tools such as CloudStack, Eucalyptus, Nimbus, OpenStack, OpenNebula, OpenIoT, to name a few. This paper analyzes the various toolkits, parameters of these tools, and their usability for researchers looking to deploy their own Cloud test beds. The paper also extends further in developing an experimental case study of using OpenStack to construct and deploy a test bed using current resources available in the labs at the University of Bradford. This paper contributes to the theme of software setups and open source issues for developing Cloud test bed for deploying and constructing private Cloud test bed.

Cloud computing is increasingly attracting huge attention both in academic research and industry initiatives and has been widely used to solve advanced computation problem. As cloud datacentres continue to grow in scale and complexity, the risk of failure of Virtual Machines (VM) and hosts running several jobs and processing large amount of user request increases and consequently becomes even more difficult to predict potential failures within a datacentre. However, even though fault tolerance continues to be an issue of growing concern in cloud and HPC systems, mitigating the impact of failure and providing accurate predictions with enough lead time remains a difficult research problem. Traditional existing fault-tolerance strategies such as regular check-point/restart and replication are not adequate due to emerging complexities in the systems and do not scale well in the cloud due to resource sharing and distributed systems networks. In the thesis, a new reliable Fault Tolerance scheme using an intelligent optimal strategy is presented to ensure high system availability, reduced task completion time and efficient VM allocation process. Specifically, (i) A generic fault tolerance algorithm for cloud data centres and HPC systems in the cloud was developed. (ii) A verification process is developed to a fully dimensional VM specification during allocation in the presence of fault. In comparison to existing approaches, the results obtained shows an increase in success rate of the VMs, a reduction in response time of VM allocation and an improved overall performance. (iii) A failure prediction model is further developed, and the predictive capabilities of machine learning is explored by applying several algorithms to improve the accuracy of prediction. Experimental results indicate that the average prediction accuracy of the proposed model when predicting failure is about 90% accurate compared to existing algorithms, which implies that the approach can effectively predict potential system and application failures within the system.

Cette thèse présente l'approche multi-compartiment, qui autorise un co-hébergement sécurisé et flexible de plusieurs piles logicielles autonomes au sein d'un même système multiprocesseur intégré sur puce. Dans le marché des appareils orientés multimédia, ces piles logicielles autonomes représentent généralement les intérêts des différentes parties prenantes. Ces parties prenantes sont multiples (fabricants, fournisseurs d'accès, fournisseurs de contenu, utilisateurs, etc.) et ne se font pas forcément confiance entre elles, d'où la nécessité de trouver une manière de les exécuter ensemble mais avec une certaine garantie d'isolation. Les puces multimédia étant matériellement fortement hétérogènes -- peu de processeurs généralistes sont assistés par une multitude de processeurs ou coprocesseurs spécialisés -- et à mémoire partagée, il est difficile voire impossible de résoudre cette problématique uniquement avec les récentes techniques de co-hébergement (virtualisation). L'approche multi-compartiment consiste en un nouveau modèle de confiance, plus flexible et générique que l'existant, qui permet à des piles logicielles variées de s'exécuter simultanément et de façon sécurisée sur des plateformes matérielles hétérogènes. Le cœur de l'approche est notamment composé d'un mécanisme global de protection, responsable du partage sécurisé de l'unique espace d'adressage et logiquement placé dans le réseau d'interconnexion afin de garantir le meilleur contrôle. Cette approche présente également des solutions pour le partage des périphériques, notamment des périphériques ayant une capacité DMA, entre ces piles logicielles. Enfin, l'approche propose des solutions pour le problème de redirection des interruptions matérielles, un aspect collatéral au partage des périphériques. Les principaux composants des solutions matérielles et logicielles proposées sont mis en œuvre lors de la conception d'une plateforme d'expérimentation, sous la forme d'un prototype virtuel. Outre la validation de l'approche, cette plateforme permet d'en mesurer le coût, en termes de performance et de surface de silicium. Concernant ces deux aspects, les résultats obtenus montrent que le coût est négligeable.

Cette thèse s'intéresse aux architectures contenant des FPGAs reconfigurables dynamiquement et partiellement. Dans ces architectures, la complexité et la difficulté de portage des applications sont principalement dues aux connections étroites entre la gestion de la reconfiguration et le calcul lui-même. Nous proposons 1) un nouveau niveau d'abstraction, appelé gestionnaire de composants matériels (HCM) et 2) un mécanisme de communication scalable (SCM), qui permettent une séparation claire entre l'allocation d'une fonction matérielle et la procédure de reconfiguration. Cela réduit l'impact de la gestion de la reconfiguration dynamique sur le code de l'application, ce qui simplifie grandement l'utilisation des plateformes FPGA. Les application utilisant le HCM et le SCM peuvent aussi être portées de manière transparentes à des systèmes multi-FPGA et/ou multi-utilisateurs. L'implémentation de cette couche HCM et du mécanisme SCM sur des plateformes réalistes de prototypage virtuel démontre leur capacité à faciliter la gestion du FPGA tout en préservant les performances d'une gestion manuelle, et en garantissant la protection des fonctions matérielles. L'implémentation du HCM et du mécanisme SCM ainsi que leur environnement de simulation sont open-source dans l'espoir d'une réutilisation par la communauté. / This thesis shows that in FPGA-based dynamic reconfigurable architectures, the complexity and low portability of application developments are mainly due to the tight connections between reconfiguration management and computation. By proposing 1) a new abstraction layer, called Hardware Component Manager (HCM) and 2) a Scalable Communication Mechanism (SCM), we clearly separate the allocation of a hardware function from the control of a reconfiguration procedure. This reduces the dynamic reconfiguration management impact on the application code, which greatly simplifies the use of FPGA platforms. Applications using the HCM and the SCM can also be transparently ported to multi-user and/or multi-FPGA systems. The implementation of this HCM layer and the SCM mechanism on realistic simulation platforms demonstrates their ability to ease the management of FPGA flexibility while preserving performance and ensuring hardware function protection. The HCM and SCM implementations and their simulation environment are open-source in the hope of reuse by the community.