Resilient and highly performant network architecture for virtualized data centers. (Architecture réseau résiliente et hautement performante pour les datacenters virtualisés)

Le volume de trafic echange dans les centres de donnees croit de facon exponentielle et tout nous porte a croire que cette tendance devrait continuer dans un avenir proche. Afin de suivre cette augmentation, de nombreux progres dans le domaine des reseaux ont ete effectues : les debits des interfaces reseau modernes atteignent aujourd’hui des vitesses superieures a 40Gbps. Neanmoins, l’exploitation de ces interfaces a haut debit est limitee par l'architecture des piles reseau generiques qui sont incapables de traiter les paquets recus a une vitesse suffisamment rapide. De nombreuses solutions materielles et logicielles sont donc recemment apparues afin d'augmenter la vitesse de traitement des paquets. Dans cette these, nous etudierons differentes approches, reposant sur l’utilisation de logiciel, de materiel ou d’une combinaison des deux, afin d’ameliorer les performances de la partie traitement de paquets reseau sur des hotes de type serveur. Certaines solutions etudiees sont basees sur le routeur modulaire Click qui utilise, pour executer ses fonctions reseau, differents types de materiel (GPU, les FPGA, execution en parallele sur de multiples cœurs). Nous explorerons egalement des solutions logicielles alternatives a Click. Nous comparerons les solutions logicielles et materielles de traitement de paquets en fonction de differents criteres et discuterons de leurs contraintes et de leurs exigences ainsi que de leurs possibilites d'integration dans des environnements virtualises. Comme premiere contribution, nous proposons une architecture de reseau « fabric » resiliente et hautement performante. Notre objectif est de construire un reseau maille de niveau 2 utilisant uniquement des cartes d'acceleration materielle qui effectuent le traitement des paquets en place des routeurs et des commutateurs. Nous avons decide d'utiliser, pour la communication entre ces cartes reseau intelligentes, le protocole TRILL qui permet d’avoir une meilleure utilisation des liens reseau tout en assurant un transfert de donnees au moindre cout entre les hotes. Le traitement des paquets du plan de donnees est decharge sur une carte reseau programmable qui effectue le traitement en parallele. De plus, nous proposons d'utiliser l'API ODP afin que le code de l'application de traitement de paquets puisse etre reutilise par toute autre solution prenant en charge ladite l'API. Notre deuxieme contribution consiste a l’implementation d’un plan de donnees du protocole TRILL sur la carte reseau intelligente MPPA (Massively Parallel Processor Array) prenant en charge l’API ODP. Nos resultats experimentaux montrent que nous pouvons traiter les trames TRILL a un debit de ligne en full-duplex (jusqu'a 40Gbps) pour differentes tailles de paquets tout en reduisant le temps de latence. Comme troisieme contribution, nous proposons une analyse mathematique de l'impact des differentes topologies de reseau sur la charge du plan de controle. Nous avons examine diverses topologies de reseau et compare leurs charges induites par le trafic de controle. Nous avons egalement montre que la topologie hypercube etait celle qui convenait le mieux a notre cas d'utilisation de centre de donnees PoP, car elle n'avait pas une charge de plan de controle elevee et avait une meilleure resilience que la topologie fat-tree tout en ayant une distance moyenne plus courte entre les nœuds.