Habilitation à Diriger des Recherches : Contrôle de réseaux ouverts et définis par logiciel pour la fourniture de services flexibles et diversifiés avec garanties de performances

Résumé

Poussés, d’une part, par l’évolution des usages, de plus en plus versatiles et exigeants en performances, et, d’autre part, par l’impératif de réduire leurs coûts d’exploitation et d’investissement, les réseaux de communication ont, en très peu de temps, connu une multitude de mutations. Ces dernières ont constitué les jalons d’une voie vers des réseaux ouverts, programmables, flexibles et agiles, qui font la part belle au logiciel de communication et à sa dissociation d’une architecture matérielle spécifique via son intégration au "Cloud", ainsi qu’à une remise en cause d’un contrôle réseau "tout distribué". En l’espace de deux décennies : les accès sans fil se sont généralisés et sont désormais le moyen quasi universel de se connecter au réseau et, en tant que principal goulot de performance d’une communication de bout en bout, ils représentent la portion du réseau la plus critique en termes de performances ; l’ouverture du plan de contrôle réseau, envisagée comme alternative à certains protocoles historiques et comme levier pour la personnalisation fine du contrôle, est déjà une réalité pour plusieurs classes de réseaux et en phase d’Inception pour d’autres ; l’élargissement des principes d’ouverture et de dissociation logiciel/matériel aux autres plans et fonctions réseau est en marche, avec à la clé l’orchestration et l’automatisation des réseaux, ainsi que l’offre de services sophistiqués allant au-delà de la simple connectivité et permettant à leurs utilisateurs un niveau de contrôle et de paramétrage sans précédent.

Les mutations décrites ci-avant dessinent des modèles de réseaux différents, avec des caractéristiques et des possibilités de pilotage variées. Elles posent des défis spécifiques et ouvrent des opportunités, d’une part, pour envisager de nouveaux services réseau et, d’autre part, pour contrôler et gérer différemment le réseau. Très généralement, nos principaux travaux de recherche ont donc porté sur deux volets, traitant de deux problématiques générales : quels services réseau (et avec quelles garanties de performances) chaque modèle de réseau est-il raisonnablement capable de fournir ? Et quels sont les moyens, les protocoles de communication et les méthodes de contrôle réseau qui permettent de les réaliser ?

Un peu plus précisément, nos travaux ont successivement porté sur : la fourniture d’une connectivité sans-fil avec une qualité de service contrôlée, pour les réseaux locaux et métropolitains sans fil à un saut, ainsi que pour les réseaux sans fil multi-sauts ; l’étude des apports de l’ouverture du contrôle via l’approche SDN ("Software Defined Networking") aux réseaux multi-sauts sans-fil , aux réseaux véhiculaires multi-accès sans-fil et aux réseaux de communication par satellite, en termes de nouveaux services ainsi que de méthodes et de modèles de contrôle réseau ; enfin, l’orchestration des services et la définition de nouveaux services (avec les modèles et méthodes de contrôle réseau associés) dans le contexte d’une fédération de domaines de réseaux "softwarisés", gérés par des entités administratives différentes.

Ce manuscrit d’HDR retrace brièvement ces travaux et dresse les pistes de recherche que nous envisageons de mener dans les années à venir.

Abstract

Driven by increasingly diverse and performance-demanding usages, as well as by the need to reduce both operational and capital expenditures, communication networks have undergone a multitude of transformations over a relatively short period of time. These transformations have progressively paved the way toward open, programmable, flexible, and agile network architectures. They have notably emphasized the central role of communication software, its decoupling from dedicated hardware through integration with the Cloud, and a reconsideration of fully distributed network control paradigms. Over the past two decades, wireless access technologies have become ubiquitous and now represent the dominant means of network connectivity. As the primary performance bottleneck in end-to-end communications, they constitute the most performance-critical segment of the network. In parallel, the opening of the network control plane, initially envisioned as an alternative to legacy protocols and as a means for fine-grained control customization, is now a reality for several classes of networks and is emerging for others. More recently, openness and software/hardware decoupling principles have been extended to additional network planes and functions, enabling network orchestration and automation, as well as the deployment of advanced services that go beyond basic connectivity and offer unprecedented levels of control and configurability to users.
These transformations have led to the emergence of distinct network models with different characteristics and control capabilities. They raise specific challenges while also creating opportunities, both for the design of novel network services and for rethinking network control and management. Accordingly, our main research contributions have focused on two complementary and overarching questions: what network services, and with what performance guarantees, can each network model reasonably provide? And which mechanisms, communication protocols, and network control methods enable their effective realization?

More specifically, our work has addressed: the provision of wireless connectivity with controlled QoS (Quality of Service) in single-hop wireless local and metropolitan area networks, as well as in multi-hop wireless networks; the investigation of the benefits of control plane openness through the SDN (Software Defined Networking) paradigm for multi-hop wireless networks, multi-access vehicular wireless networks, and satellite communication networks, in terms of both new services and network control models and methods; and finally, service orchestration and the definition of new services, together with their associated control models and methods, in the context of federations of "softwarized" domains managed by distinct administrative entities.

This HDR manuscript provides a concise overview of these research contributions and outlines the research directions we plan to pursue in the coming years.