Soutenance de thèse Afaf Arfaoui
Le 08 Février 2023, à 2h30 PM dans le campus Hannah Arendt (salle des thèses).
Résumé de thèse:
Le Réseau d’accès radio (RAN) constitue un élément essentiel des réseaux sans fil. Il délivre aux utilisateurs un accès au réseau sans fil à portée étendue. Son objectif est de contrôler et exploiter efficacement le spectre disponible afin de fournir une bonne connectivité à l’utilisateur final. Au cours de la dernière décennie, la montée en puissance des smartphones et des gadgets portables, ainsi que l’adoption des voitures intelligentes et des capteurs, ont entraîné une augmentation considérable du trafic sans fil. On peut classer ce trafic selon différents cas d’utilisation. Leurs exigences en termes de bande passante, de latence, de fiabilité, etc. varient et ne peuvent être toutes satisfaites par l’infrastructure réseau existante. Le découpage du réseau (Network Slicing, NS) a émergé en tant que technologie architecturale potentielle pour créer des réseaux flexibles et dynamiques afin de répondre aux besoins extrêmement diversifiés des utilisateurs. Il en résulte un réseau bien plus agile, flexible et extensible.
Il est convenu que le découpage du réseau représente un atout essentiel dans la vision orientée services de la 5G, visant à surmonter la complexité accrue de ces réseaux. Parmi les principaux objectifs du découpage du réseau, on compte la possibilité de fournir différents niveaux d’isolation des ressources, via l’abstraction et la virtualisation de celles-ci, mais aussi la possibilité de les partager avec efficience. La première partie de cette thèse se concentre sur la coexistence du trafic de video streaming avec d’autres services ayant des exigences de qualité de service (Quality of Service, QoS) différentes. Nous proposons une nouvelle approche du découpage qui assure la flexibilité du partage des ressources tout en garantissant la protection des slices en respectant l’accord de service (Service Level Agreement, SLA). En particulier, nous concevons des ordonnanceurs à deux niveaux (inter/intra-slice) pour un découpage RAN efficace et peu complexe en utilisant les caractéristiques du trafic adaptatif tel que le service de video streaming.
Pour pouvoir réaliser de découpage des réseaux 5G, l’infrastructure physique doit être virtualisée en intégrant quelques concept, à savoir, le réseau à définition logicielle (Software-Defined Networking, SDN), la virtualisation des fonctions réseau (Network Function Virtualization, NFV) et le cloud computing. Dans l’environnement du cloud computing, les fonctions réseau virtualisées (Virtual Network Functions, VNFs) sont déployées sous forme d’applications logicielles distribuées qui s’exécutent sur des machines en parallèle. La communication entre les tâches de calcul distribuées de ces applications entraîne souvent des transferts de trafic importants sur le réseau. Afin de surmonter ce problème, les spécialistes en réseaux ont proposé diverses solutions pour minimiser les temps de complétion des flux ou encore garantir l’équité entre les flux en se basant sur l’abstraction « flow ». Cependant, cela entraîne une divergence entre les objectifs de l’application d’une part, et ceux du réseau d’autre part, car les applications prennent en compte tous leurs flux, mais le réseau traite chaque flux indépendamment, ce qui engendre une dégradation globale de performance. Pour aligner ces objectifs, on a introduit l’abstraction « coflow » en vue d’exposer le réseau aux caractéristiques de communication des applications en capturant le comportement collectif des flux de ces applications distribuées. La principale contribution apportée par la deuxième partie de cette thèse consiste à tirer profit de l’abstraction des coflows pour proposer de nouveaux algorithmes d’ordonnancement permettant de minimiser le temps de completion des coflows (Coflow Completion Time, CCT). Nous introduisons également un nouvel algorithme d’allocation de débit, celui-ci est basé sur un mécanisme de tarification décentralisé qui effectue une allocation de débit en temps réel, et ce, en fonction de la congestion effective et du volume de données effective transférées par les coflows. Ensuite, nous introduisons ensuite d’autres algorithmes pour faire en sorte que les coflows respectent leurs délais ou, à défaut, finissent le plus vite possible après ceux-ci, cette problématique est connue sous le nom de minimisation de retard. Les algorithmes proposés sont adaptés aux environnements réels, ils fournissent également des solutions quasi-optimales. En fait, nos algorithmes d’ordonnancement approche la solution optimal à un facteur 2 et l’allocation de capacité a un facteur d’approximation 4 de l’optimal.
English:
PhD defense on 08/02/2023. The defense will start at 2h30 PM and it will be held at Hannah Arendt campus (in salle des thèses).
Thesis abstract:
One of the fundamental components of wireless networks is Radio Access Network (RAN) delivering a wide reach wireless connectivity to the end users. The objective of RAN is to effectively manage and utilize the scarce spectrum to provide good connectivity to the end user. Over the past decade, the growth in usage of smartphones and handheld gadgets, as well as the surging adoption of smart vehicles and sensors, has caused a dramatic increase in the wireless traffic to be carried over the network. This traffic can be categorized into distinct use cases having varying requirements in terms of bandwidth, latency, reliability, etc., which are unlikely to be catered for by the current one-size-fits-all network infrastructure. Network Slicing (NS) has emerged as a promising architectural technology for building a highly flexible and dynamic network to meet the extremely diversified needs of use cases. The resulting network is much more nimble, flexible and scalable.
There is consensus that NS is a key enabler for the service-oriented 5G vision, that aims to cope with the increasing complexity of these networks. One of the major objectives of NS is to provide a different level of resource isolation, through resource abstraction and virtualization and the ability to efficiently share network resources. In the first part of this dissertation, we focus on video streaming traffic in the presence of other services with different Quality of Service (QoS) requirements. We propose a novel approach for resource sharing that provides inter-slice protection, flexibility, load-driven elasticity, and network efficiency. In particular, we design two-level multi-scale allocation schedulers for an efficient and low complexity RAN slicing by exploiting the characteristic of adaptive traffic such as video streaming service.
To enable NS in 5G networks, the underlying physical infrastructure should be virtualized by integrating Software-Defined Networking (SDN), Network Function Virtualization (NFV), and cloud computing. In a cloud environment, Virtual Network Functions (VNFs) are implemented as distributed open software applications running on machines in parallel to exploit I/O parallelism. Communication between the distributed computation tasks of these applications often result in heavy traffic transfers over the network. To tackle this issue, network researchers proposed variety of solutions to minimise flow completion times or to ensure per-flow fairness based on « flow » abstraction. However, this leads to a major discrepancy between the application goals on one hand, and network-level goals on the other, because the applications consider all their flows, but the network handles each flow independently which results in an overall loss of performance. To realign these goals, « coflow » abstraction was introduced with the aim to expose the network to the communication characteristics of applications by capturing the collective behavior of flows in distributed data-parallel applications. The main contribution in the second part of this thesis is to take advantage of the abstraction of coflows to propose a new scheduling algorithms to minimize the Coflow Completion Time (CCT). We then introduce a new rate allocation algorithim based on a distributed pricing mechanism that performs real-time rate allocation based on the actual congestion and data volumes trasferred by coflows. Furthermore, we introduce algorithms that is 2-approximation of the optimal, to make coflows meet their deadlines or, failing that, finishing as soon as possible after there deadlines, a problem commonly referred to as tardiness minimization. Previous work on tardiness minimization are based on flow abstractions, they only considers jobs running on parallel machines and provides and are m (n – 1)-approximation of the optimal. To the best of our knowledge this is the first work tackling the issue of tardiness minimization on a coflow-level. Our proposed algorithms are suitable for real environments since their implementation allows handling semi-clairvoyant and semi-distributed settings. They also yields near-optimal solutions. In fact, our scheduling algorithms are 2-approximation of the optimal and the rate allocation can achieve a 4-approximation.