Architectures et mécanismes de fédération dans les environnements cloud computing et cloud networking

Depuis plusieurs années et selon différentes entreprises de conseils types Gartner et IDC, le Cloud Computing fait partie des dix premières technologies qui ont le potentiel d’affecter les individus, les entreprises et les systèmes d’information. Vu le potentiel d’innovation du Cloud, notre thèse s’inscrit dans le contexte de cette technologie prometteuse. Afin de bien situer et illustrer nos travaux par rapport à l’état du marché et la maturité des concepts et solutions existantes, nous considérons l’évolution de deux schémas publiés par Gartner [35] : le Hype Cycle et le Magic Quadrant. Ces schémas nous permettent d’avoir une vision sur l’état et l’évolution du Cloud. De ce fait, nos travaux de recherches ont commencé alors que les notions basiques du Cloud en général et les notions de fédération en particulier n’étaient pas encore définies.

L’intérêt du schéma Gartner Hype Cycle est de représenter l’évolution des technologies par rapport à leurs maturités, leurs visibilités et leurs adoptions. Publié une fois par an, ce schéma permet d’illustrer l’évolution des technologies dans une courbe de progression de type Hype Cycle. Comme toute technologie introduite dans le Hype Cycle, le Cloud suit cinq principales phases. Ces phases, qui sont illustrées dans la figure 1.1, sont :

• Le déclencheur technologique : C’est la première phase qui illustre l’arrivée sur le marché d’une nouvelle technologie. Dans le cas du Cloud, il a fait son apparition en 2008.
• Le pic des attentes exagérées : Dans cette phase, on assiste à un emballement sur les technologies avec des attentes exagérées et non réalistes. Cette situation est due à la jeunesse voire l’absence des modèles fiables et reconnus des technologies et des solutions. Le Cloud a perduré dans cette phase pendant trois ans entre 2009 et 2011.
• Le creux du désillusionnement : Durant cette phase, les technologies n’arrivent pas à répondre aux attentes des utilisateurs. Par conséquent, elles sont rapidement  remises en question, voire délaissées. Le Cloud n’a pas fait exception et il a perduré dans cette phase depuis 2012. De plus, dans la version 2014 du Hype Cycle, la notion du Cloud Hybride a fait son apparition dans cette phase.
• La pente de l’éclaircissement : Dans cette phase, la vision et les architectures de la technologie commencent à bien se définir. De plus, les solutions deviennent plus fiables et leurs nombres d’utilisateurs grandissent. L’adoption des utilisateurs se fait lentement, mais sûrement. Le Cloud n’est toujours pas dans cette phase, mais il ne devrait pas tarder à y entrer.
• Le plateau de la productivité : Durant cette phase, les technologies sont bien reconnues et les solutions sont bien stables. Dans sa publication de 2014, Gartner a prédit que le Cloud atteindra cette phase entre 2016 et 2019.

Afin de bien positionner le contexte de notre doctorat, nous avons ajouté la date de début et de fin de notre doctorat par rapport à l’évolution du Cloud dans la figure 1.1 du Hype Cycle. Le début officiel, qui était en septembre 2010, se positionne en pleine phase des pics des attentes exagérées alors que les notions du Cloud n’étaient pas encore définies. Quant à la date de fin, qui était en décembre 2013, elle coïncide avec la limite inférieure de la courbe décroissante de la phase du creux de désillusionnement. À base du Gartner Hype Cycle, il est bien clair que les travaux de ce doctorat ont été réalisés pendant une période là où les concepts et les technologies ne sont pas encore matures. D’ailleurs, la définition NIST du Cloud, communément reconnue de nos jours, a été établie en septembre 2011, une année après le début officiel de nos travaux de doctorat. Le deuxième schéma Gartner qui met en évidence le contexte de nos travaux est le Magic Quadrant. Ce schéma classifie les fournisseurs de Cloud IaaS en quatre quadrants selon l’aptitude à exécuter et l’exhaustivité de la vision. Les quatre quadrants sont :
• Les leaders qui ont une bonne aptitude à exécuter et une bonne vision ;
• Les challengers qui ont une aptitude à exécuter ;
• Les visionnaires qui ont une bonne vision ;
• Les marchés de niches qui n’ont ni une grande capacité à exécuter ni une excellente vision.

En analysant et comparant les deux schémas Gartner Magic Quadrant de 2010 (figure 1.2) et de 2013 (figure 1.3), nous pouvons émettre plusieurs constatations qui peuvent cadrer le contexte des travaux de cette thèse. Comme premier constat, nous citons le fait qu’en 2010, il existe un grand nombre de fournisseurs Cloud positionnés majoritairement au centre du schéma Magic Quadrant. Ce grand nombre reflète d’une part la divergence des approches et des visions et d’autre part l’immaturité des technologies. De ce fait, au début de nos travaux, il n’y avait aucun standard de fait et aucune vision établie de ce que c’est réellement le Cloud ou les technologies à utiliser. Un deuxième constat est lié au changement de la liste des fournisseurs entre 2010 et 2013. Cette liste a vu la disparition de plusieurs fournisseurs (exemple OpSource et NaviSite) et l’apparition de nouveaux fournisseurs (exemple Microsoft et HP). Ces changements ont bien été ressentis tout au long de nos travaux et nous avons toujours été contraints de tenir compte de cette instabilité des normes, des standards, des interfaces, des architectures, des visions, etc. Comme troisième constat, nous citons le fait qu’en 2013, le nombre de leaders des fournisseurs Cloud reste assez limité. Excepté Amazon AWS qui a pu imposer sa vision du Cloud et devenir le leader incontesté, les autres fournisseurs peinent à trouver la bonne stratégie pour devenir un leader confirmé. Cette situation instable des fournisseurs reflète encore une fois l’incertitude du marché Cloud. Cette incertitude est toujours réelle et elle a duré jusqu’à 2013 (date de fin de notre doctorat).

Constats et objectifs

Il est clair que le Cloud allait changer notre façon de mettre en place, gérer et utiliser les systèmes d’information. Cependant, l’adoption et la vulgarisation du Cloud étaient lentes et difficiles vu la jeunesse des concepts et l’immaturité des solutions existantes. Cette difficulté se manifeste à partir de plusieurs constatations comme :
• L’absence de standard ;
• Un grand nombre de fournisseurs et de technologies ;
• L’hétérogénéité des architectures et des API ;
• La difficulté de migrer entre les fournisseurs ;
• L’absence des notions d’interopérabilité entre les technologies ;
• Le Vendor Lock-In imposé par les leaders du marché du Cloud ;
• Le manque, voire l’absence, des notions et des concepts de fédération dans le Cloud ;
• La focalisation sur les ressources de Compute et Storage en négligeant le Network;
• L’émergence des technologies réseau sans une réelle convergence avec le Cloud Computing.

La motivation principale de nos travaux de recherche est de simplifier l’adoption et la migration vers les environnements et les technologies Cloud. C’est pourquoi nous avons défini comme cible la résolution des constats cités préalablement. Pour y arriver, nous avons établi la liste suivante des principaux objectifs :
• Maîtriser et mener une étude détaillée de l’état de l’art ;
• Traiter le rapprochement des réseaux du futur et des Clouds ;
• Traiter les problèmes d’interopérabilité entre les différents fournisseurs et technologies de Cloud ;
• Proposer des architectures et des solutions pour améliorer l’aspect de fédération et interopérabilité des Cloud ;
• Concevoir un plan de contrôle distribué aussi bien en intra qu’en inter domaine.

Le Cloud Computing, ou Informatique en nuages, est un paradigme qui a attiré une attention toute particulière ces dernières années dans le monde de l’informatique. Malgré que la première énonciation de ce concept date des années 1960 par John McCarthy qui a introduit la notion du Computer Utility, sa réelle utilisation et sa définition moderne, date des années 2000. Durant ces années, le concept du Cloud Computing a été défini par l’émergence de nouveaux types de services fournis par de grands acteurs tels que Google, Salesforce ou Amazon AWS. En parallèle, dans les années 1990, un concept similaire au Cloud Computing a été introduit par l’industrie des réseaux. Ce concept, orienté réseaux, se base sur une une couche d’abstraction. Par la suite, afin de s’aligner par rapport aux caractéristiques du Cloud Computing, le concept du Cloud Networking est apparu. Ce concept s’occupe principalement des problématiques de communications dans les environnements Cloud. Il est d’une grande importance dans l’évolution des services de types réseau fournis en mode Cloud.

La problématique est qu’au début des travaux de ce doctorat, les notions basiques du Cloud ne sont pas encore établies vu qu’il existe plusieurs définitions et des visions divergentes des concepts du Cloud Computing et du Cloud Networking. Pour ces raisons, une grande importance est accordée, dans ce doctorat, à la maîtrise et la définition de ces deux concepts. Comme illustré dans la figure 2.1, 30 % des travaux de cette thèse portent sur la bonne compréhension du Cloud et sur la définition de l’état de l’art. Grâce à ces travaux et à la convenable illustration de l’état de l’art, plusieurs projets de recherches ont pu être déposés et financés durant ce doctorat (voir la liste de ces projets dans l’annexe C).

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Table des matières

1 Introduction Générale
1.1 Contexte
1.2 Constats et objectifs
1.3 Contributions
1.4 Structure du document
2 Cloud Computing et Cloud Networking
2.1 Introduction
2.2 Cloud Computing
2.2.1 Définition
2.2.2 Caractéristiques
2.2.3 Acteurs
2.2.4 Classification
2.2.5 Avantages et obstacles
2.2.6 Organismes de standardisation
2.2.7 Cloud Computing ouvert
2.3 Cloud Networking
2.3.1 Définition
2.3.2 Caractéristiques
2.3.3 Avantages
2.3.4 Exigences
2.3.5 Technologies
2.4 Conclusion
3 Architectures de fédération des Clouds
3.1 Introduction
3.2 Architecture de convergence entre Cloud Computing et Cloud Networking
3.2.1 Contexte
3.2.2 Motivation
3.2.3 Objectives
3.2.4 Concept FNS
3.2.5 Architecture haut niveau
3.2.6 Concept DCP
3.2.7 Infrastructure Uni-Domaine
3.2.8 Infrastructure Inter-Domaine
3.2.9 Conception du DCP
3.3 Architecture de courtage Cloud
3.3.1 Contexte
3.3.2 Courtage Cloud Open Source
3.3.3 Objectives
3.3.4 Architecture de Courtage Cloud proposée
3.3.5 Services de l’architecture proposée
3.4 Conclusion
4 Interface Cloud Networking
4.1 Introduction
4.2 Contexte et objectif
4.3 Interfaces Cloud Computing
4.4 Langages de description des réseaux
4.5 Open Cloud Networking Interface – OCNI
4.6 Spécification OCNI
4.7 Implémentation Open Source d’OCNI – pyOCNI
4.7.1 Architecture logicielle de pyOCNI
4.7.2 Gestionnaire de catégorie
4.7.3 Sérialisation JSON dans pyOCNI
4.7.4 Exemple de requêtes OCNI
4.7.5 Évaluation des performances de pyOCNI
4.8 Frameworks utilisant OCNI/pyOCNI
4.8.1 libNetVirt
4.8.2 Contrôleur L3VPN
4.8.3 Contrôleur Cloud Computing (OpenStack et OpenNebula)
4.8.4 Contrôleur d’échange de message
4.8.5 Contrôleur de Passerelle Cloud Networking
4.9 Conclusion
5 Conclusion Générale

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