Sujet de thèse financé par une allocation de recherche du ministère
Environnement :
- lieu: I3S, Polytech'Nice Sophia Antipolis - thème de recherche : parallélisme & réseaux - encadrants :
• Hélène Renard-Ferry, MCF Polytech'Nice
• Guillaume Urvoy-Keller, Professeur I3S - contact :
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Titre
Green Parallel-Plateform Networks: Nouveaux protocoles de routage pour minimiser la consommation d'énergie dans les plates-formes de calcul hétérogènes et étendues
Préambule
Ce sujet de thèse s’inscrit dans la thématique à la fois du parallélisme et des réseaux au sein des pôles GLC / SIS.
Ce sujet s’inscrit au cœur des travaux des équipes Modalis / SigNet de l’I3S (Université de Nice – Sophia Antipolis / CNRS), dont le candidat au doctorat fera partie.
Les principaux intérêts de l'équipe MODALIS visent à modéliser et d'exploiter les infrastructures de calculs distribués à grande échelle telles que les grilles. Les travaux de recherche comprennent la conception d'architectures de services flexibles, en tenant compte des besoins des utilisateurs (déploiement distribué, qualité de service etc.). Les résultats de la recherche sont des outils qui permettent aux utilisateurs de gérer et de tirer parti des infrastructures à grande échelle pour les besoins de leurs applications de données intensives.
L'équipe SigNet vise à proposer une nouvelle architecture complètement compatible avec les réseaux IP sans file et filaire actuellement disponibles. Cette nouvelle architecture devrait permettre le développement des technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et de protocoles issues des techniques de la radio cognitive. La mise en place de protocoles s'appuyant des paradigmes du codage réseau, le développement de protocoles de routage et de transport intelligents et conscients du contexte et de la consommation énergétiques sont également au cœur du projet SigNet.
La soutenance de cette thèse est prévue pour le deuxième semestre 2015.
Introduction
Le parallélisme est une tentative de réponse toujours d’actualité aux problèmes produits par les applications gourmandes en ressources de calcul. Partant du vieil adage selon lequel « l’union fait la force », les plates-formes de calcul parallèle d'aujourd'hui ne se
résument plus aux super-calculateurs monolithiques de Cray, IBM ou SGI. Les réseaux hétérogènes de stations (les machines parallèles du « pauvre » par excellence) sont monnaie courante dans les universités ou les entreprises. Faire coopérer un grand nombre de processeurs du commerce, agencés en grappes et reliés par un réseau plus ou moins rapide, s’avère nettement moins onéreux mais aussi nettement plus délicat en tant que puissance, communication etc. Ajoutons à cela que la tendance actuelle en matière de calcul distribué est à l’interconnexion de machines réparties à l’échelle d’un pays ou d’un continent, par des liens rapides afin d’agréger leur puissance de calcul.
Il apparaît donc clairement que le caractère hétérogène et étendu de l'infrastructure sont des caractéristiques essentielles des plates-formes de calcul d’aujourd’hui et de demain.
La conception d’algorithmes adaptés – ou l’adaptation d’algorithmes existants – à ces nouveaux environnements parallèles est donc nécessaire et a motivé les travaux présentés dans cette future thèse.
D'autre part, la demande de ressources informatiques excède l'offre et cette demande continuera de croître. Afin d'atténuer la demande du marché, de nouvelles ressources de calcul sont ajoutées à l'infrastructure du réseau, conduisant à une augmentation de la consommation d'énergie et, par conséquent, un impact négatif sur l'économie et l'environnement. En effet, en Amérique du Nord, entre 2 et 8% de la puissance électrique fournie est consommée par l'infrastructure d'Internet et les prévisions montrent que les consommations énergétiques vont augmenter dans quelques années [1].
Afin de réduire la consommation d'énergie dans le domaine des TIC (Technologies de l'Information et de la Communication), beaucoup de stratégies aussi bien basées sur des approches prenant en compte la consommation énergétique que la modification des ressources matérielles elles-mêmes ont été étudiées. Fréquemment, l'objectif des solutions d'économie d'énergie est de permettre aux dispositifs réseau d'entrer dans un mode, dite de « sommeil ». Entrer dans un mode de « sommeil » plutôt que de rester en mode « pleine puissance » pendant une certaine période peut réduire considérablement la consommation d'énergie [2].
Objectifs et description des travaux de la thèse proposée
Dans ce contexte des plates-formes de calcul hétérogènes et étendues, l'objectif de cette thèse est optimiser autant que possible l'utilisation et répartition des données dans les nœuds, tout en considérant des solutions minimisant la consommation énergétique des plates-formes.
La solution envisagée dans ce projet concerne spécialement la proposition de nouveaux protocoles de routage « vert », qui permettent de minimiser l'utilisation des dispositifs réseaux, sans négliger les problèmes de qualité de services et de tolérance aux pannes qui peuvent être introduites. L'étudiant pourra s'inspirer des algorithmes classiques, tel que le Problème du Voyageur de Commerce (TSP en anglais) [3, 4] et les Arbres Couvrants de Poids Minimal (MST en anglais) [5].
Nous rappelons brièvement la formulation classique du problème du voyageur de
commerce et des arbres couvrants :
• le problème du voyageur de commerce consiste, étant donné un ensemble de villes séparées par des distances données, à trouver le plus court chemin qui relie toutes les villes. Il s'agit d'un problème d'optimisation pour lequel on ne connaît pas d'algorithme permettant de trouver une solution exacte en un temps polynomial ;
• un arbre couvrant de poids minimal de ce graphe est un arbre couvrant (sous- ensemble qui est un arbre et qui connecte tous les sommets ensemble) dont la somme des poids des arêtes est minimale.
L'étudiant devra considérer la pertinence d'une mise-en-œuvre réelle et un déploiement progressif de ces stratégies d'économie d'énergie, afin d'identifier leurs forces et faiblesses. Il faudra, pour cela, étudier attentivement la compatibilité entre la solution proposée et les protocoles actuels, comme le protocoles très couramment utilisés, comme par exemple, la suite du protocole TCP/IP, OSPF, BGP, entre autres.
Quelques références
[1] K. Kawamoto, J. Koomey, B. Nordman, R. Brown, M. Piette, M. Ting, A. Meier,
“Electricity used by office equipment and network equipment in the US: detailed report and appendices,” Technical Report LBNL-45917, Energy Analysis Department, Lawrence Berkeley National Laboratory, February 2001.
[2] Bolla, R.; Davoli, F.; Bruschi, R.; Christensen, K.; Cucchietti, F.; Singh, S.; , "The potential impact of green technologies in next-generation wireline networks: Is there room for energy saving optimization?," Communications Magazine, IEEE , vol.49, no.8, pp.80-86, August 2011.
[3] S. Lin, W. Kernighan, « An Effective Heuristic Algorithm for the Traveling-Salesman Problem », Operations Research, Vol 21, n°2 (Mar. - Apr. 1973), 498 – 516.
[4] M. Diaby, « The Traveling-Saleman Problem : A linear Prommaming Formulation », Wseas Transactions on Mathematics, Issue 6, Vol. 6, June 2007, 745 – 754.
[5] Y. Haxhimusa1, W. G. Kropatsch, Z. Pizlo, A. Ion and A. Lehrbaum, « Approximating TSP Solution by MST based Graph Pyramid », Proceedings of GbRPR 2007 on Pages 295 – 306.
