Robust modelling of internet delay and smart monitoring schemes for the automation of overlay networks
Modélisation robuste du délai Internet et schémas de mesure intelligents pour l'automatisation des réseaux overlay
Résumé
It is crucial to computer networks administration, security and optimization to monitor the performance of the network. Unexpected changes in performance can indicate hardware problems, or malicious attacks. In addition, a good understanding of the performance of the network components allows for intelligent path selection between the hosts to optimize end-to-end performance. In this thesis we consider the measurement of the round-trip time (RTT) on the Internet. We first propose a statistical model for the delay on the Internet, based on infinite hidden Markov models, which can detect significant changes in the delay and predict its future values. This model is validated on tens of thousands of time series from the RIPE Atlas Internet measurement infrastructure, and on a labeled change point dataset. We show that this can detect incidents on key Internet infrastructures, such as exchange points (IXP). Furthermore, the model is deployed within the RIPE Atlas measurement infrastructure, and a public HTTP API enables on-demand segmentation of delay measurements. Our second contribution is the design of an intelligent measurement scheme for the monitoring of delay in overlay networks. Overlay networks are a specific type of network where nodes establish virtual links with each other, in a complete graph topology. Each node can relay packets from the other nodes, thereby influencing the physical path taken by the packets. The objective is then to choose at all times the virtual path (series of relay nodes) which minimize a certain metric (for example, the round-trip delay). We provide a method that achieves this goal without the need to continuously measure the performance between each of the virtual links. Our method exploits the infinite hidden Markov models and Markovian decision processes to provide a measurement policy that makes the optimal trade-off between number of measurements and routing performance. We show on a topology of 30 nodes that our method allows to obtain an almost optimal routing by measuring only 10% of the time. Finally, we propose heuristics allowing to obtain sparse measurement policies in a reasonable time.
La mesure de la performance des réseaux informatiques est un élément crucial pour l’administration, la sécurisation et l’optimisation des réseaux. Des changements inattendus de la performance peuvent indiquer des incidents matériels, ou des attaques informatiques. De plus, une bonne connaissance de la performance des différents éléments du réseau permet de choisir intelligemment le chemin entre deux hôtes afin d’optimiser la performance de bout en bout. Dans cette thèse nous considérons la mesure du délai aller-retour sur Internet. Nous proposons d’abord un modèle statistique pour le délai sur Internet, basé sur les modèles de Markov cachés infinis, qui permet d’identifier les changements significatifs de délai et de prédire ses valeurs futures. Ce modèle est testé sur plusieurs dizaines de milliers de séries temporelles provenant de l’infrastructure de mesure d’Internet RIPE Atlas, et sur un jeu de données labellisé d’instants de changements. Nous montrons que ce modèle permet de détecter des incidents sur des infrastructures centrales d’Internet, tels que les points d’échanges. De plus, le modèle est déployé au sein de l’infrastructure de mesure RIPE Atlas, où une API HTTP publique permet la segmentation à la demande de séries de mesures de délai. Notre seconde contribution est la conception d’un schéma de mesure intelligent pour la mesure du délai dans les réseaux overlays. Les réseaux overlays sont un type particulier de réseau où les nœuds établissent des liens virtuels entre eux, dans une topologie de graphe complet. Chaque nœud peut relayer les paquets d’un autre nœud, permettant ainsi d’influencer le chemin physique emprunté par les paquets. L’objectif est alors de choisir à tout instant le chemin virtuel (suite de nœuds relais) qui permet de minimiser une certaine métrique (par exemple, le délai aller-retour). Nous proposons une méthode qui permet d’atteindre cet objectif sans avoir besoin de mesurer en permanence la performance entre chacun des liens virtuels. Notre méthode exploite les modèles de Markov cachés infinis et les processus de décision Markoviens afin de fournir une politique de mesure qui effectue le compromis optimal entre nombre de mesures et performance du routage. Nous montrons sur une topologie de 30 nœuds que notre méthode permet d’obtenir un routage quasi optimal en ne mesurant que 10% du temps. Finalement, nous proposons des heuristiques permettant d’obtenir des politiques de mesures parcimonieuses en un temps raisonnable.
Origine : Version validée par le jury (STAR)