CRAN - Campus Sciences
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Sujet de Thèse : Elimination de l’impact de la résilience réseau dans un transport de flux vidéo par implémentation dans une architecture SDN contrainte par l’existant
Dates : 2017/01/31 - 2020/01/30
Etudiant : Constant COLOMBO
Directeur(s) CRAN : Francis LEPAGE
Autre(s) Directeur(s) : Kopp René, Gnaedinger Eric (eric.gnaedinger@univ-lorraine.fr)
Description : Contexte et problématique
TDF conçoit, déploie, exploite, maintient et supervise des réseaux et infrastructures de télécommunications. Son réseau TMS a une emprise nationale. La disponibilité des services doit être presque absolue.
Les travaux de recherche concernant ces types de réseaux et leur problématique spécifique de Qualité de Service ne sont pas nombreux mais quelques résultats remarquables sont publiés, par exemple par Hasegawa et al [1].
C’est notamment le caractère hétérogène de l’infrastructure de transmission qui rend l’atteinte de l’objectif en SLA particulièrement difficile. Les travaux de recherche menés dans la thèse de Doctorat de Stéphen Pirlot [2] ont permis de montrer, entre autres, l’impossibilité de masquer totalement les re-routages et donc d’éviter tous les impacts à l’image en cas de panne.

Objectif
Ce nouveau sujet de thèse vise à étudier et évaluer une nouvelle approche pour résoudre le problème. Plusieurs techniques sont envisageables mais la contrainte de livraison en temps réel ainsi que la mise en œuvre de flux multicast réduisent drastiquement les possibilités. Parmi les techniques compatibles il reste la recombinaison au vol par le récepteur d’un flux sur la base de la réception de N flux multicast identiques mais ayant parcouru des chemins ou réseaux séparés (N ≥2). L’établissement de N arbres multicast résilients et totalement ou partiellement indépendants est un problème non trivial. La solution proposée par Hasegawa et al [1], basée sur deux instances duales du routage OSPF (Open Shortest Path First) ne garantit pas de maximiser l’indépendance des chemins. L’implémentation et la mise en œuvre des algorithmes de constitution des arbres de distribution les plus disjoints possibles semblent grandement facilitées par les nouvelles fonctionnalités offertes par le SDN du fait de son contrôle centralisé. C’est pourquoi l’étude portera sur l’implémentation sur un réseau réel fortement contraint d’une architecture SDN (Sofware-Defined Networking), comme étudiée par D. Kotani et al sur un réseau virtuel peu contraint [3]. En effet, établir un arbre multicast sous contrainte à la fois de bande passante et d’exclusion de nœuds et de liens ne pourra se faire que par une intelligence centralisée collectant toutes les informations et appliquant la résultante de l’algorithme directement dans les tables de commutation des nœuds du réseau, comme c’est le cas dans une architecture SDN.

Organisation des travaux
Les travaux de thèse seront menés simultanément au CRAN et au sein de la Direction Technique de TDF plus précisément parmi une équipe de conception réseau. Cette équipe est dotée de laboratoires et de plateformes réseau de maquettage, de test et de validation de solutions techniques.
Phase 1 : Les travaux débuteront par une étude bibliographique approfondie des travaux de recherche sur la diffusion de flux audiovisuels sur réseau IP prenant particulièrement en compte la fourniture sans défaut de la vidéo. Les différents modèles de SDN seront étudiés en collaboration avec les différents travaux menés au sein de l’entreprise sur l’architecture SDN et confrontés aux possibilités de déploiement sur le réseau actuel. Les algorithmes de construction d’arbres multicast disjoints comme celui proposé par Médard et al [4] seront étudiés. De même les différentes techniques de recombinaison de flux seront étudiées : seamless TS, IP diversity - SMPTE 2022-7 [5]. Il faut définir les critères de choix en fonction des performances, des coûts et des contraintes d’exploitation.
En parallèle, l’observation du fonctionnement du réseau opérationnel de TDF et la participation à sa gestion et à son développement permettront au doctorant de s’approprier les contraintes fonctionnelles et opérationnelles inhérentes à un tel réseau.
Phase 2 : Le choix du modèle de SDN et la conception de la solution sur ce modèle seront réalisés à l’aide d’une approche Ingénierie système [6]. Puis il faudra identifier ou développer les algorithmes qui permettent de construire au moins deux arbres multicast résilients et disjoints. Ces algorithmes devront tenir compte des contraintes de la topologie existante et par ailleurs tirer profit d’une spécificité du transport multicast qui est l’unidirectionalité.
Des simulations et des tests sur maquettes seront réalisés pour mesurer les performances en termes de Qualité de Service avec des pannes provoquées. Le déploiement sur le réseau réel sera aussi étudié et spécifié. Dans un second temps il s’agira d’implémenter ou du moins valider la faisabilité d’une implémentation à court terme de l’ensemble. Il faudra déterminer les informations nécessaires et le moyen de les collecter au sein d’un contrôleur SDN. Ce dernier hébergera les algorithmes de routage ainsi que les fonctions nécessaires à l’application des tables de commutation ou de routage directement dans les nœuds du réseau.
Phase 3 : Rédaction de la thèse, préparation de la soutenance.

Des communications - publications seront écrites et soumises dans des conférences et revues en respectant les réserves liées à la propriété intellectuelle de ces résultats. Le doctorant suivra des formations selon les règles de l'Ecole Doctorale IAEM Lorraine.

Références bibliographiques majeures
[1] T. Hasegawa, K. Kamimura, H. Hoshino, S. Ano and T. Hasegawa, IP-based HDTV Broadcasting System Architecture with Non-Stop Service Availability, IEEE Globecom 2005, vol. 1, pp 337 – 342.
[2] S. Pirlot, Survivabilité dans les réseaux de transport de vidéo et d’audio sans dégradation de la qualité perçue par l’utilisateur. Thèse de Doctorat de l’Université de Lorraine, 29 juin 2016.
[3] D. Kotani, K. Suzuki, H. Shimonishi, A design and implementation of OpenFlow controller handling IP multicast with Fast Tree Switching, IEEE/IPSJ 12th International Symposium on Applications and the Internet, 2012.
[4] M. Médard, S.G. Finn, R.A. Barry, R.G. Gallager, Redundant Trees for Preplanned Recovery in Arbitrary Vertex-Redundant or Edge-Redundant Graphs, IEEE/ACM Transactions on networking, Vol. 7, N. 5, October 1999.
[5] ST 2022-7:2013 - SMPTE Standard - Seamless Protection Switching of SMPTE ST 2022 IP Datagrams .
[6] D. Luzeaux, J.R. Ruault, J.L. Wippler, Maîtrise de l’ingénierie des systèmes complexes et des systèmes de systèmes, Hermes Science Publications, 2011.
Mots clés : IPTV, multicast, SDN, survivabilité
Conditions : Dure de 3 ans.
Contrat CIFRE
Lieu : CRAN à Nancy-Vandoeuvre et entreprise à Metz
Profil : Grade de Master en Automatique ou en Informatique avec bonnes connaissances en réseaux de communication.
Département(s) :
Ingénierie des Systèmes Eco-Techniques
Financement : Contrat CIFRE, environ 1700 euros par mois net
Publications : S. Pirlot, Thèse de Doctorat de l’Université de Lorraine, 29 juin 2016.    + CRAN - Publications