PhD thesis

Doctoral work

Flow-aware networking, admission control, and performance guarantees

This page summarizes the PhD work defended jointly with Telecom ParisTech and Orange Labs. The original thesis material and the detailed abstract below are kept in their historical French form, which was the language of the defense.

Topic Flow-Aware Networking

Performance guarantees for IP flows, fair queueing, and admission control.

Context CIFRE PhD

Joint work between Telecom ParisTech and Orange Labs on network performance.

Related work Conference and workshop papers

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Garanties de performance pour les flots IP dans l’architecture Flow-Aware

Jordan Augé (Orange Labs, Télécom ParisTech)

La soutenance de thèse aura lieu le jeudi 27 Novembre à 14h00 au LINCS en Salle du Conseil, et sera traditionnellement suivie d’un pot. Les informations d’accès au laboratoire sont disponibles dans the historical LINCS access material that accompanied the defense announcement.

Le jury sera composé de:

Mme. Isabelle GUERIN-LASSOUS, Professeur, ENS Lyon, LIP (rapporteur)
M. Steve UHLIG, Professeur, Queen Mary University of London, UK (rapporteur)
M. Tijani CHAHED, Professeur, Telecom SudParis (examinateur)
M. Fabien MATHIEU, Ingénieur de recherche, Alcatel Lucent Bell Labs France (examinateur)
M. Daniel KOFMAN, Professeur, Telecom ParisTech (directeur de thèse académique)
M. James ROBERTS, Chercheur senior, IRT SystemX (directeur de thèse industriel)

Abstract (French)

Les réseaux connaissent des changements fondamentaux qui ont suscité un regain d’intêret pour les problématiques de qualité de service (QoS): accès fibre optique, réseaux mobiles 4G, datacenters, etc. À de rares exceptions, l’utilisation des architectures classiques de QoS est restée marginale à cause de leur complexité de mise en oeuvre. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’architecture Flow-Aware Networking (FAN), en rupture avec les approches classiques. FAN propose de considérer la performance du trafic au niveau des flux de données, et est ancrée sur des modèles théoriques de files d’attente simples et robustes, permettant d’établir la relation existant entre capacité du réseau, demande en trafic, et performance obtenue.

Nous nous intéressons particulièrement une réalisation de cette architecture pour le coeur de réseau, qui associe un ordonnancement équitable par flot à un contrôle d’admission, et pour lequel nous avons réalisé un prototype. Un tel routeur, nommé Cross-Protect, permet l’assurance de garanties de performance de bout en bout grâce à un contrôle local du trafic, sans nécessiter de marquage ou de protocole de signalisation: il permet des délais et pertes négligeables pour les flux streaming, et l’assurance d’un débit moyen minimum pour les transferts élastiques.

Une partie des travaux à considéré l’impact des buffers IP sur la performance des flots, dans un contexte de remise en cause par la communauté des règles de dimensionnement usuelles. Nos travaux complètent les modèles fluides utilisés dans FAN, qui considèrent des tailles de buffer infinies, afin de prendre en compte les interactions au niveau paquet se produisant dans les buffers, dues au contrôle de congestion effectué par TCP. Ils permettent de réconcilier certaines hypothèses contradictoires, et d’aboutir à une règle de dimensionnement empirique.

Nous motivons ensuite l’introduction d’un ordonnancement de type Fair Queueing dans le réseau, qui permet d’une part l’isolation des flots élastiques et la différenciation des flux streaming. Nous évaluons les principales propositions TCP dans un tel contexte, et suggérons qu’un tel réseau permet la conception et l’introduction de nouveaux protocoles plus efficaces pour exploiter les ressources du réseau.

Nous proposons également deux déclinaisons d’un algorithme de contrôle d’admission, qui est la seconde composante fondamentale de la proposition. Nous les évaluons dans de nombreuses configurations réalistes de trafic, et montrons qu’ils permettent une utilisation efficace du lien dans des conditions réalistes où la majorité des flots ont un débit crête limité, tout en permettant la différenciation implicite permise par le fair queueing.

Pour terminer, nous discutons une déclinaison de FAN pour le réseau d’accès, qui complète la vision de bout en bout pour le trafic. L’équité entre les flots n’est alors plus une solution satisfaisante, et il convient plutôt d’adapter une solution neutre, basée sur la coopération de l’utilisateur, et lui permettant de contrôle ses flots dans les sens montant et descendant.

For a thematic synthesis focused on the architecture itself rather than the defense context, see the Flow-Aware Networking page.