Energy Efficient Traffic Engineering in Software Defined Networks

Abstract

This work seeks to improve the energy efficiency of backbone networks by automatically managing the paths of network flows to reduce the over-provisioning. Compared to numerous works in this field, we stand out by focusing on low computational complexity and smooth deployment of the proposed solution in the context of Software Defined Networks (SDN). To ensure that we meet these requirements, we validate the proposed solutions on a network testbed built for this purpose. Moreover, we believe that it is indispensable for the research community in computer science to improve the reproducibility of experiments. Thus, one can reproduce most of the results presented in this thesis by following a couple of simple steps. In the first part of this thesis, we present a framework for putting links and line cards into sleep mode during off-peak periods and rapidly bringing them back on when more network capacity is needed. The solution, which we term ``SegmenT Routing based Energy Efficient Traffic Engineering (STREETE), was implemented using state-of-art dynamic graph algorithms. STREETE achieves execution times of tens of milliseconds on a 50-node network. The approach was also validated on a testbed using the ONOS SDN controller along with OpenFlow switches. We compared our algorithm against optimal solutions obtained via a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model to demonstrate that it can effectively prevent network congestion, avoid turning-on unneeded links, and provide excellent energy-efficiency. The second part of this thesis studies solutions for maximizing the utilization of existing components to extend the STREETE framework to workloads that are not very well handled by its original form. This includes the high network loads that cannot be routed through the network without a fine-grained management of the flows. In this part, we diverge from the shortest path routing, which is traditionally used in computer networks, and perform a particular load balancing of the network flows. In the last part of this thesis, we combine STREETE with the proposed load balancing technique and evaluate the performance of this combination both regarding turned-off links and in its ability to keep the network out of congestion. After that, we use our network testbed to evaluate the impact of our solutions on the TCP flows and provide an intuition about the additional constraints that must be considered to avoid instabilities due to traffic oscillations between multiple paths.; Ce travail a pour but d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux de cœur en éteignant un sous-ensemble de liens par une approche SDN (Software Defined Network). Nous nous différencions des nombreux travaux de ce domaine par une réactivité accrue aux variations des conditions réseaux. Cela a été rendu possible grâce à une complexité calculatoire réduite et une attention particulière au surcoût induit par les échanges de données. Pour valider les solutions proposées, nous les avons testées sur une plateforme spécialement construite à cet effet.Dans la première partie de cette thèse, nous présentons l'architecture logicielle ``SegmenT Routing based Energy Efficient Traffic Engineering (STREETE). Le cœur de la solution repose sur un re-routage dynamique du trafic en fonction de la charge du réseau dans le but d'éteindre certains liens peu utilisés. Cette solution utilise des algorithmes de graphes dynamiques pour réduire la complexité calculatoire et atteindre des temps de calcul de l'ordre des millisecondes sur un réseau de 50 nœuds. Nos solutions ont aussi été validées sur une plateforme de test comprenant le contrôleur SDN ONOS et des commutateurs OpenFlow. Nous comparons nos algorithmes aux solutions optimales obtenues grâce à des techniques de programmation linéaires en nombres entiers et montrons que le nombre de liens allumés peut être efficacement réduit pour diminuer la consommation électrique tout en évitant de surcharger le réseau.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous cherchons à améliorer la performance de STREETE dans le cas d’une forte charge, qui ne peut pas être écoulée par le réseau si des algorithmes de routages à plus courts chemins sont utilisés. Nous analysons des méthodes d'équilibrage de charge pour obtenir un placement presque optimal des flux dans le réseau.Dans la dernière partie, nous évaluons la combinaison des deux techniques proposées précédemment : STREETE avec équilibrage de charge. Ensuite, nous utilisons notre plateforme de test pour analyser l'impact de re-routages fréquents sur les flux TCP. Cela nous permet de donner des indications sur des améliorations à prendre en compte afin d'éviter des instabilités causées par des basculements incontrôlés des flux réseau entre des chemins alternatifs. Nous croyons à l'importance de fournir des résultats reproductibles à la communauté scientifique. Ainsi, une grande partie des résultats présentés dans cette thèse peuvent être facilement reproduits à l'aide des instructions et logiciels fournis.

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