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Prix et distinctions

Technoscope - 7/01/2013

Evaluer la performance des réseaux

Mathieu Feuillet - © Inria

Mathieu Feuillet a reçu le prix de thèse Gilles Kahn 2012 pour son travail sur l’évaluation de la performance des réseaux, réalisé dans l’équipe RAP. Ce prix, décerné par la Société informatique de France et patronné par l’Académie des sciences, met en lumière un domaine aux forts enjeux économiques, à la frontière entre informatique et mathématique.

L’intitulé de votre thèse est « Allocation de bande passante dans les grands réseaux stochastiques ». De quoi s’agit-il ?

L’efficacité des réseaux de type Internet est liée à la manière dont se font les échanges d’informations. Les mécanismes qui président à ces échanges sont les protocoles, c’est-à-dire l’ensemble des règles définissant la manière de faire transiter les informations sur le réseau, à la manière dont les panneaux de signalisation régulent la circulation routière.

Dans mon domaine, la question typique que l'on se pose est : ces mécanismes sont-ils performants ? Autrement dit, utilisent-ils la ressource de transmission (la bande passante) de façon optimale, c’est-à-dire rapidement et sans perte ? C’est important pour l’utilisateur mais également du point de vue économique car l’opérateur tient à exploiter au mieux cette ressource : faire passer effectivement 1 mégabit de données là où le réseau permet de passer 1 mégabit (bande passante).

Comment avez-vous étudié cette question ?

Plusieurs approches existent pour étudier cette performance. On peut expérimenter l’effet de différents paramètres sur des petits réseaux fabriqués à cette fin, ou bien simuler un réseau réel sur ordinateur pour en étudier le comportement. On peut également passer par la modélisation mathématique en utilisant les probabilités comme outils d’analyse. C’est l’approche que j’ai adoptée. Elle passe par une représentation simplifiée des mécanismes à l’œuvre mais elle permet d’obtenir des résultats plus intéressants car plus généraux. On démontre qu’un algorithme est efficace, alors que la simulation ou l’expérimentation ne peut conclure à l’efficacité que dans les cas testés.

Vous avez trois 3 problèmes distincts. Pouvez-vous nous en parler ?

Le premier problème concerne un protocole important d’Internet, TCP, qui gère la répartition des ressources du réseau entre les utilisateurs. Avec TCP, lorsque un utilisateur repère de la congestion dans le réseau (ce qui se manifeste par une perte de paquets), il réduit son débit. Sans ce protocole, Internet ne fonctionnerait pas. L’inconvénient cependant est que la bonne utilisation des ressources du réseau dépend de la bonne volonté des utilisateurs. Ces derniers peuvent en effet court-circuiter TCP pour envoyer leurs données avec le débit maximum. Comment résoudre ce problème ? Mon travail a démontré que l’on peut se passer de TCP en adoptant une gestion efficace des files d’attente, par exemple en rejetant les paquets de données appartenant aux fichiers qui en ont le plus dans la file. J’ai également démontré que tant que le débit des utilisateurs reste faible par rapport à celui des liens internes au réseau, la stratégie naïve consistant à rejeter les derniers arrivants dans la file d’attente fonctionne de façon satisfaisante. Internet pourrait de ce fait pâtir de l’arrivée des fibres optiques qui offrent des débits très élevés aux utilisateurs.

Ces résultats sont-ils utilisables par les opérateurs ?

Pas directement. Il faudrait transformer ces algorithmes très théoriques en outils concrets implémentables dans les routeurs. Mais les opérateurs de réseau peuvent s’inspirer de ces résultats pour développer de nouveaux mécanismes de gestion des transferts de données.

Quelles autres questions avez-vous étudiées ?

Le second problème concerne les réseaux wifi qui utilisent l’algorithme CSMA pour éviter les interférences provoquées par l’émission de plusieurs messages simultanément dans la même bande de fréquences. Un temps aléatoire définit le moment de l’émission. Si aucun message n’est parvenu à l'émetteur durant ce temps, il commence l'émission. Nous avons démontré que la performance de ce système peut être améliorée moyennant une petite modification qui permet de réduire le temps d’attente global : utiliser des temps aléatoires différents pour chaque destinataire.  C’est un résultat intéressant pour les fabricants de matériels, mais qui nécessite de faire des expérimentations en modifiant les cartes wifi afin de vérifier que ce qui a été négligé peut l’être effectivement.

J’ai également étudié un problème plus théorique concernant le stockage des données sur les machines d’un réseau. Pour que les fichiers stockés soient toujours accessibles, il est nécessaire de pallier la disparition des ordinateurs du réseau (l’ordinateur est éteint ou en panne) en dupliquant ces fichiers sur d’autres ordinateurs. La question est de savoir s’il faut copier en bloc ces fichiers sur une autre machine ou les répartir sur plusieurs ; il faut aussi déterminer combien de copies sont nécessaires pour s’assurer de la disponibilité du fichier. Ce problème n’avait encore jamais été étudié mathématiquement dans sa globalité. Grâce à des échanges importants avec des spécialistes des réseaux, nous avons pu proposer un premier modèle qui, bien que très rudimentaire, a permis de comprendre des phénomènes observés au cours de simulations très précises effectuées par d'autres chercheurs.

Prix de thèse Gilles Kahn 2012

Que représente le prix Gilles Kahn pour vous ?

C’est une très belle reconnaissance de la valeur de mon travail de thèse qui, autrement, est très difficile à évaluer pour quelqu’un d’extérieur au domaine. Ce prix contribue également à mettre en lumière un domaine au cœur d’enjeux économiques très actuels mais peu visible car à cheval entre l’informatique et les mathématiques appliquées. Les étudiants le découvriront éventuellement à la faveur d’un cours en master 2. Je serais vraiment heureux que ce prix fasse naître des vocations !

Votre travail de thèse trouve-t-il un prolongement dans ce que vous faites aujourd’hui ?

Je travaille maintenant à l’Agence nationale de la sécurité des systèmes informatique (ANSSI). Entre autres choses, je travaille pour l'observatoire de l'Internet, cofondé par l'ANSSI  et l’Agence française de nommage de l’internet (AFNIC). Il s’agit d’observer le réseau afin d’anticiper son comportement en cas de panne. J’étudie donc les réseaux sous un angle un peu différent. Internet étant constitué de systèmes autonomes connectés entre eux (réseaux locaux d’opérateurs, de grosses entreprises, etc.), j’analyse la structure de ces réseaux pour voir ce qui se passerait si un nœud disparaissait par exemple, ou pour déterminer si l’augmentation du nombre de nœuds augmenterait la robustesse de l’ensemble. On retombe vite sur des questions de performance !

La partie théorique est basée sur des méthodes mathématiques proches de celles que j’utilisais pour ma thèse, mais je fais également beaucoup d’opérationnel : analyse de données et discussion avec les opérateurs en vue d’améliorer la sûreté du système global. L’expérience de la recherche permet aussi de se poser rapidement les bonnes questions et de savoir où trouver des pistes. En tout état de cause, la thèse est un véritable atout aujourd’hui pour obtenir ce type de poste !

Mots-clés : Equipe-projet RAP Mathieu Feuillet Prix de thèse Gilles Kahn

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