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Thèse Conception et métrologie d'applications à très faible latence, capables d'exploiter les couches réseau et transport F/H

ref : 0018723 | 02 Apr 2019

apply before : 31 Aug 2019

2 avenue Pierre Marzin 22300 LANNION - France

about the role

Votre rôle est d'effectuer un travail de thèse sur la conception et la métrologie d'applications à très faible latence, capables d'exploiter les couches réseau et transport afin d'améliorer l'expérience client.

L'usage de l'Internet a considérablement évolué ces dernières années. D'un côté, les utilisateurs s'attendent à ce que leurs applications fonctionnent parfaitement, quels que soient l'endroit, le moment ou la connexion réseau. De l'autre côté, les fournisseurs de contenus déploient des applications de plus en plus complexes et réactives nécessitant des temps de réponse très faibles à chaque action de l'utilisateur [1]. Ces applications à très faible latence, dont la performance dépend davantage de la latence que du débit du réseau, regroupent celles déportées sur le cloud, le cloud gaming, la réalité augmentée ou virtuelle, les vidéos immersives en 360°, etc. Il est alors primordial pour l'opérateur de réseau de concilier toutes ces exigences, son réseau devant être capable de supporter divers scénarios de latence tout en offrant la meilleure qualité d'expérience possible.

Des efforts récents visent à réduire la latence au sein des différentes couches mais de manière indépendante:

  • couche applicative : HTTP/2.0, TLS1.3, streaming adaptatif MPEG-DASH et HLS ;
  • couche transport : protocole QUIC, algorithmes de contrôle de congestion (ECN, BBR LEDBAT…) ;
  • couche réseau : ICN, 5G optimisée latence (EMBB et URLLC), Loss-Latency Tradeoff per hob behaviour, etc.

D'autres efforts s'attaquent à réduire les délais liés au placement du contenu (CDN, pre-fetching) et au placement (en bordure de réseau) des serveurs impliqués dans le traitement des requêtes intervenant dans les architectures de services (front-end, back-end).

La performance d'une application reste cependant complexe à maitriser. La qualité d'expérience (QoE) ressentie par l'utilisateur est en effet déterminée par un empilement de diverses latences, celles induites par les couches applicative, transport et réseau, mais aussi celles liées aux architectures systèmes des clients front-end, serveurs back-end et middleboxes. Cela se traduit également par une localisation des problèmes et donc un dépannage (troubleshooting) de plus en plus complexe, ce d'autant plus que le chiffrement du trafic se généralise dans les réseaux (par exemple avec le protocole QUIC).

En l'absence de mécanismes pour mieux identifier puis exploiter les bonnes conditions du réseau ou compenser ses mauvaises, une application à très faible latence peut souffrir d'une mauvaise QoE si les latences induites par les couches réseau et transport présentent des écarts, ne permettant pas de garantir des temps de réponse extrêmement faibles requises par l'application. Le papier en [2] par exemple propose un algorithme de prefetching adaptatif pour le streaming vidéo en s'appuyant sur le mobile edge computing afin d'annuler la différence de latences entre le réseau mobile d'accès et le réseau fixe au niveau dorsal. Un autre exemple présenté en [3], décrit une collaboration entre les fournisseurs de services et les opérateurs de réseaux pour améliorer la QoE des services réseau, avec une illustration simple, sans solution technique donnée cependant, du cas d'utilisation du streaming vidéo.

Compte tenu de ces éléments de l'état de l'art, la thèse se propose d'explorer une approche logicielle pour préparer le réseau au support des applications à très faible latence. L'objectif principal, détaillé dans la section 3 « Le plus de l'offre », est de définir un nouveau paradigme de programmation à forte orientation réseau pour une implémentation plus efficace de ces applications afin d'améliorer la QoE utilisateur.

about you

Le profil recherché correspond à un Bac +5 dans le domaine des réseaux et de l'informatique, idéalement un diplôme d'ingénieur ou un master de Recherche en Télécoms.

Vous possédez les compétences techniques suivantes :

  • architecture des réseaux Télécoms et systèmes IT ;
  • fonctionnement des protocoles de transport (UDP, TCP, et QUIC est un plus) et des algorithmes de contrôle de congestion ;
  • protocole HTTP et architecture logicielle d'un serveur web ;
  • des connaissances en virtualisation des réseaux (NFV et SDN) sont appréciées, mais non rédhibitoires.

Vous avez également et impérativement une aisance en développement logiciel, vous permettant d'apprendre rapidement un nouveau langage de programmation si nécessaire. En particulier, les langages suivants sont nécessaires pour la thèse par ordre d'importance :

  • Javascript (Nodejs)
  • Frameworks Web (Express, Angular, React, etc)
  • Java, Python
  • Le langage Go est un plus non négligeable

Au niveau des aptitudes humaines et communicationnelles :

  • Très bonne maîtrise de l'anglais (capable de lire et écrire en anglais aisément, et faire une présentation en anglais).
  • Autonomie, force de proposition, esprit curieux et bonne rigueur intellectuelle.
  • Motivé(e) par la Recherche.

additional information

Objectif scientifique - verrous à lever

L'objectif de la thèse est de définir un nouveau paradigme de programmation centré sur le réseau pour développer des applications à très faible latence (i.e. exigeant des temps de réponse extrêmement faibles à chaque interaction utilisateur), capables d'exploiter efficacement les couches inférieures de transport et de réseau afin d'améliorer la qualité d'expérience utilisateur. Une interface API entre l'application et les couches de transport et de réseau sera à concevoir, incluant notamment les informations et/ou métriques à remonter. Il s'agira alors de définir comment le paradigme de programmation proposé peut les exploiter pour optimiser la latence de bout en bout (et donc d'améliorer la QoE) et réduire la complexité du troubleshooting due au chiffrement des trafics réseaux.

En détails, la thèse s'organise autour de ces travaux de recherche suivants :

  • Définir un nouveau paradigme de programmation orienté réseau pour développer des applications à très faible latence. Il est nécessaire de bien établir les concepts, terminologies, problématiques et contraintes relatives aux applications à très faible latence, afin d'identifier les principes immuables du nouveau paradigme. Le thésard s'appuiera sur des frameworks web open-source comme Angular 5 ou Express [8] pour implémenter le paradigme proposé.

  • Identifier les informations et/ou métriques de performance provenant des couches transport et réseau, et comment ces informations peuvent améliorer la QoE utilisateur d'une application à très faible latence.

  • Définir une interface de type API entre l'application et les couches transport et réseau pour intégrer dans le paradigme de programmation proposé les informations issues de ces couches. Le thésard pourra s'appuyer i) sur les travaux issus du roadmap Web5G du consortium W3C [4] et du workshop « Aligning evolutions of network and Web technologies » [5], ii) mais aussi les initiatives [6, 7] qui préconisent le développement d'une API de transport sur UDP, en remplacement de la socket API, pour permettre des évolutions protocolaires et mieux supporter les exigences des nouvelles applications.

  • Analyser dans quelle mesure une telle collaboration entre l'application et les couches transport et réseau peut contourner le challenge du troubleshooting en présence de trafic chiffré.

Approche méthodologique-planning

L'approche méthodologique est basée autour des objectifs de la thèse, mentionnés ci-dessus, après une première phase d'étude de l'état de l'art. La rédaction du mémoire se fera progressivement au fur et à mesure de l'avancement de la thèse, dès la première année. Sans perdre en généralité, mais principalement dans le but de proposer un Proof of Concept final, la thèse se limitera au cas d'usage des applications web, étant donné que le protocole HTTP est incontestablement le protocole applicatif le plus utilisé sur Internet. Ces applications peuvent être aussi bien des pages web que des applications mobiles dont les communications avec les serveurs back-end sont servies par HTTP. Tous les travaux de recherche seront ainsi évalués sur ce PoC qui sera développé en mode intégration continue pendant toute la durée de la thèse. Les évaluations se feront à l'aide d'un outil de Real User Monitoring (RUM) des applications web, développé en interne à Orange.

department

L'équipe d'accueil est constituée d'une quinzaine de personnes qui travaillent sur des sujets contrastés avec pour fil conducteur la qualité de service et la gestion de trafic dans les réseaux. Ces activités recouvrent des problématiques court-terme très concrètes (architecture de réseaux, règles d'ingénierie, intégration d'équipements, …) et d'autres plus orientées vers la recherche académique.

Impliqués dans de nombreux projets européens et les communautés d'Orange Experts « Software » et « Network of Future », les membres de l'équipe faisant de la Recherche sont en contact étroit avec le milieu universitaire et ont l'habitude d'encadrer stagiaires, thésards, post-doc auxquels ils fournissent un environnement scientifique et technique de qualité ainsi qu'un support pédagogique reconnu.

Qu'est ce qui fait la valeur ajoutée de cette offre ?

Passionné par le développement web ? Cette thèse est faite pour vous !

Vous contribuerez en outre à des projets collaboratifs dans lesquels vous porterez le fruit de vos travaux.

Références :

[1] 5G-Enabled Tactile Internet http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=7403840

[2] Chang Ge, Ning Wang, Gerry Foster, M. Wilson, “Towards QoE-assured 4K Video-on-demand Delivery through Mobile Edge Virtualization with Adaptive Prefetching”, IEEE Transactions on Multimedia, Vol. 19, Issue 10, December 2017, pp. 2222-2237

http://ieeexplore.ieee.org/document/8000391/

[3] Collaborative Quality Framework: QoE-Centric Service Operation in Collaboration with Users, Service Providers, and Network Operators, https://www.jstage.jst.go.jp/article/transcom/E100.B/9/E100.B_2016PFI0013/_pdf

[4] Web5G Roadmap, https://w3c.github.io/web-roadmaps/web5g/

[5] W3C Workshop on Web5G: Aligning evolutions of network and Web technologies, https://www.w3.org/2017/11/web5g-workshop/

[6] Raising the Datagram API to Support Transport Protocol Evolution https://csperkins.org/publications/2017/06/jones2017raising.pdf

[7] Using UDP for Internet Transport Evolution

http://www.tik.ee.ethz.ch/file/83d14b6dd84f621601ce4e19f4ae3b62/udp-tik.pdf

[8] Web frameworks, http://expressjs.com, https://angular.io

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