Vers une gestion efficace des réseaux distribués SDN utilisant la technologie Blockchain – TIC-TAC-SDN
Vers une gestion efficace des réseaux distribués SDN utilisant la technologie Blockchain
Un intérêt croissant est porté sur l’utilisation de la blockchain au sein d’architectures Software Defined Networking (SDN) distribuées afin de répondre à certaines limitations (p. ex. synchronisation des états ainsi que la confiance entre contrôleurs SDN). La technologie blockchain introduit une latence non négligeable s'avérant incompatible avec bon nombre d'applications de l’Internet des Objets. TIC-TAC-SDN vise à proposer un nouveau protocole de consensus adaptatif répondant à ce problème.
Le paradigme du « Software-defined networking (SDN) » est apparu afin de faire face aux limitations des architectures traditionnelles, visant à consolider le contrôle des équipements réseaux dans un contrôleur centralisé « logique » (software). Cependant, le déploiement des objets connectés (IoT), l’arrivée de la 5G et l’émergence du « Big Data » impliquent la fragmentation du réseau pour répondre au problème du passage à l’échelle de l’infrastructure sous-jacente. Chaque fragment réseau (domaine) est potentiellement géré/orchestré par un contrôleur SDN, qui peut lui-même coopérer avec d’autres contrôleurs, formant ainsi des architectures SDN distribuées (ou « dSDN – distributed SDN »). Cela pose toutefois de nouveaux défis comme la synchronisation des états des contrôleurs ou la sécurité entre domaines/contrôleurs incluant des problématiques de confiance et d’imputabilité). La technologie « blockchain » fait l’objet d’une attention croissante dans la communauté scientifique car apporte certains éléments de réponse à ces nouveaux défis. En effet, la blockchain offres des capacités cryptographiques, de preuve d’immuabilité, ainsi que de décentralisation du pouvoir, faisant toute son originalité. Malgré ces avantages, elle amène également son lot de contraintes, particulièrement eu égard aux délais de communications introduits qui sont étroitement liés au protocole de consensus sous-jacent. Ces délais ne doivent pas être négligés car ils peuvent avoir des impacts néfastes sur les performances finales des applications (p. ex., non-respect des accords sur le niveau de service, ou « SLA – Service Level Agreements »). Il est donc impératif pour la communauté scientifique d’étudier ce problème afin d’apporter des solutions adaptées permettant de réduire, voire éviter, de tels impacts. TIC-TAC-SDN vise à répondre à ce problème, pour lequel il est nécessaire de mettre en place de nouvelles méthodologies de travail afin de formellement identifier et modéliser l’ensemble des impacts résultant de l’intégration de la technologie blockchain au sein d’environnements complexes et hétérogènes tels que les architectures/écosystèmes dSDN et IoT. TIC-TAC-SDN vise à explorer, spécifier, concevoir et valider un nouveau type de consensus pour la blockchain qui se veut « adaptatif » afin d’être conscient de l’état du réseau, une sorte de « context-aware consensus protocol ». Ce nouveau type de consensus doit permettre de déterminer, en temps réel, la meilleure stratégie de diffusion des informations entre les différents nœuds prenant part au processus de consensus. Cette stratégie vise à trouver le meilleur compris entre (i) temps de convergence concernant la synchronisation des registres blockchain sur les différents nœuds ; (ii) securité en ne dégradant pas le niveau de sécurité intrinsèque à la technologie blockchain ; et (iii) passage à l’échelle en étant capable d’intégrer un grand nombre de nouveaux domaines (contrôleurs SDN), équipements connectés et services.
To achieve the project objectives that have been introduced in Section I.2, two scientific Work Packages (WP1 & WP2) have been defined, as summarized below:
WP1 – Formal definition of the trade-off problem
Before investigating and proposing any new consensus protocol, it is needed to methodologically and thoroughly study and understand how a given blockchain technology (or family of technologies) impacts on the end-to-end dSDN application performance in order to accurately formalize the trade-off optimization problem addressed in TIC-TAC-SDN. To achieve this, two tasks are defined in WP1, namely: (i) Task 1.1 that aims to develop appropriate Design of Experiments (DoE) in order to identify influencing parameters and interactions considering the architecture as a whole (i.e., considering different types of blockchain technologies/consensus protocols, network topologies, App settings, etc.); and (ii) Task 1.2 that aims to accurately formalize the fitness (optimization) function underpinning the trade-off challenge. To put it another way, a set of blockchain technologies are considered as “black-box” models in T1.1, while T1.2 focuses on studying – for one or a subset of blockchain technologies – the underlying consensus protocol in “white-box” fashion in order to accurately formalize it, which will further help us to formalize the trade-off optimization function. These two tasks are further detailed below.
WP2 – Formal design of a new adaptive consensus protocol:
At this stage, the trade-off optimization problem is formalized, research assumptions RA1 and RA2 verified, and the blockchain-based dSDN platform is available for the coming experiment in WP2. The next step consists now to investigate, formalize, design, implement and verify innovative and smart solutions that enable the dSDN architecture to self-adapt depending on the network conditions and application-specific needs. This corresponds to the “intelligence” that is going to be embedded into the cybernetics’ reconfiguration component. To achieve this, two tasks are defined, namely Task 2.1 that aims to formally design, implement, verify and evaluate a new type of consensus protocol that has the ability to self-adapt, in a real-time and continuous fashion, in order to best meet the fitness optimization function formalized in T1.2; and (ii) Task 2.2 that aims to improve the initial version of the proposed consensus protocol with predictive analytics capabilities. In T2.2, TIC-TAC-SDN aims to explore and develop algorithms to continuously monitor/measure the system convergence time (via South-bound APIs), while taking into consideration network manager needs/expectations (via North-bound APIs) in the view to on-line optimize the fitness function. The goal is to move the towards the co-called Intelligence Defined Network (IDN) paradigm, which aims to apply ML to automatically learn and improve from experience to anticipate network-behavioural patterns/needs.
The first scientific contribution of project is related to the work done by the PI with the recruited MSc student, Matthieu Renard. It gave rise to the following outcome so far
- 1 journal article submitted to Expert Systems with Applications (IF: 8.66), which is now at the 3rd round of review (waiting for result). The submitted article, along with the feedback from reviewers are attached at the end of this document;
- 1 decision-making tool made publicly available online has been released at the following URL: credodlt.sylvainkubler.fr. This tool, which is called CREDO-DLT standing for «multiCRiteria-basEd ranking Of Distributed Ledger Technology platforms« is developed to help decision-maker to select the most suitable DLT platform alternative (i.e., that best suits their needs and requirements). A use case scenario in the context of energy communities is developed in the article to show the practicality of CREDO-DLT (cf., manuscript attached to the report).
After this first contribution, the goal is to start specifying the self-adaptive consensus protocol with the PhD student
- 1 journal article submitted to Expert Systems with Applications (IF: 8.66), which is now at the 3rd round of review (waiting for result). The submitted article, along with the feedback from reviewers are attached at the end of this document;
Software Defined Networking (SDN) et Blockchain sont des paradigmes émergeants de l’Internet des Objets (IdO). Le premier simplifie la gestion des réseaux de communication, le second réinvente les rapports de confiance entre entités d’un réseau. Un intérêt croissant est porté sur l’utilisation de la blockchain au sein d’architectures SDN distribuées pour répondre à certaines limitations telles que la synchronisation des états ainsi que la confiance entre différents contrôleurs SDN. La littérature montre que la technologie blockchain introduit une latence non négligeable (>100 secondes), laquelle s'avère incompatible avec des applications soumises à des contraintes de temps telles que bon nombre d'applications IoT. TIC-TAC-SDN vise à proposer un nouveau protocole de consensus adaptatif, lequel vise à trouver, en temps-réel, le meilleur compris entre temps de convergence du système, passage à l’échelle et sécurité, tout en satisfaisant les contraintes SLA (Service Level Agreement).
Coordination du projet
Sylvain Kubler (Centre de recherche en automatique de Nancy (CRAN))
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
UMR 7039 Centre de recherche en automatique de Nancy (CRAN)
Aide de l'ANR 167 011 euros
Début et durée du projet scientifique :
février 2021
- 42 Mois