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Le code à effacement Mojette :Applications dans les réseaux et dans le Cloud
Soutenance de l'Habilitation à Diriger des Recherches
Benoît Parrein (Université de Nantes, IRCCyN/équipe IVC)
Mardi 16 Juin 2015, Amphi 1, Bâtiment IRESTE, Polytech Nantes
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Les codes à effacement chez Facebook, c'est....
87 PB (87000 TB!) de moins à stocker [1]
730 serveurs en moins
42% de réduction de la taille de l'infrastructure
20 MW de consommation en moins pour un datacentre [2]
[1] Muralidhar, S., Lloyd, W., Roy, S., Hill, C., Lin, E., Liu, W., ... & Kumar, S. f4: Facebook’s Warm BLOB Storage System. In Proceedings of the 11th USENIX conference on Operating Systems Design and Implementation (OSDI) (pp. 383-398). USENIX Association, October, 2014.
[2] Orgerie, Anne-Cecile, Assuncao, Marcos Dias de, & Lefevre, Laurent . A survey on techniques for improving the energy efficiency of large-scale distributed systems. ACM Computing Surveys (CSUR), vol. 46, no 4, p. 47, 2014.
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Limitation
Application uniquement sur des données “froides”
i.e 80 lectures par seconde max
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Les codes à effacement
k messages
n paquets
k paquetsreçus
k messages
EncodingEncoding
Decoding
Codage
Décodage
Perte
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(p,q)
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Le code à effacement Mojette
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C'est encore plus fun sur http://www.mojette.net/ !
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Questions
Comment positionner le code Mojette au sein de la théorie des codes correcteurs?
Intérêt pour le stockage distribué?
Intérêt pour les réseaux mobiles et P2P?
Quelles performances?
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“Ben's Time-line”
Travaux de thèse
1998
préparationHDR
2013
2015
ProjetSereadmo
2001
2006 2009
ProjetP2PWeb
ProjetFEC4Cloud
2015
2004 : recrutement MCF
Projet MatchSlide
Projet C2M
2001
2002 2004 2010
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“Ben's Time-line”
Travaux de thèse
1998
préparationHDR
2013
2015
ProjetSereadmo
2001
2006 2009
ProjetP2PWeb
ProjetFEC4Cloud
2015
2004 : recrutement MCF
Projet MatchSlide
Projet C2M
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Plan de la soutenance
Partie 1 : Le code à effacement Mojette– Définitions
– Performances
Partie 2 : Applications dans les réseaux auto-organisés– Les réseaux ad hoc (le projet SEREADMO)
– Les réseaux P2P (le projet P2PWeb)
Partie 3 : Le stockage distribué (le projet FEC4Cloud)– Le système de fichier distribué RozoFS
– Comparaison avec Ceph sur Grid5000
Conclusions :– Conclusions et perspectives
– Résumé des encadrements
– Responsabilités collectives
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Partie 1 : Le code Mojette
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Les codes à effacement (MDS)
MDS : Maximum Distance SeparableCode systématique i.e le message apparaît de manière explicite
k messages
n paquets
k paquetsreçus
k messages
EncodingEncoding
Decoding
Codage
Décodage
Perte
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Les codes Reed-Solomon (RS) (1960)
Sont des codes MDSUsage d'une matrice génératrice G (code linéaire)
– matrice de Cauchy ou Vandermonde
c=b .G
permet d'obtenir un code systématiqueG={I k∣Pk ,n−k}
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Mises en œuvre des codes RS
Reed-Solomon (matrice de Cauchy [Byers, 1995])
Reed-Solomon (matrice de Vandermonde [Rizzo, 1998], RFC5510)
...
[stockage] Cauchy “Good” [Planck, 2008] in Jerasure 1.2
[stockage] Intel ISA-L par matrices de Vandermonde (inclus instructions SSE)
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Le code à effacement Mojette
basé sur la transformation Mojette [Guédon, 1995]– Calcul d'un ensemble de projections 1D à partir d'un support 2D
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Proj(0,1)
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Proj(0,1)
Proj(1,1) Proj(-1,1)
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Le code à effacement Mojette systématique
Exemple du code Mojette systématique (7,4)Brevet [David et al., 2013]
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Conditions de reconstruction
Critère de Myron Katz [Katz, 1978]
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|p i|⩾Pou ∑
i
N
|qi|⩾Q
Q
P
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Conditions de reconstruction
Critère de Myron Katz [Katz, 1978]
Support de K lignes reconstructibles par K projections [Parrein, 2001]
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Conditions de reconstruction
Critère de Myron Katz [Katz, 1978]
Support de K lignes reconstructibles par K projections [Parrein, 2001]– usage d'angles Mojette de type (p, 1)
– chaque projection est équivalente pour la reconstruction
– N - K projections redondantes
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Décodage
Définition des chemins de reconstruction [Normand et al., 2006](une projection reconstruit une ligne, de la gauche vers droite)
Example on a 4 lines geometrical bufferwith 4 projections
+réduction du nombre d'écritures [Féron et al., 2014] (brevet Rozo Systems)
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Propriété du code Mojette
Code déterministe
Code à effacement de type (1+є) MDS
Forme non systématique (par défaut) et systématique
Reconstruction asynchrone
Pas de contrainte de primalité
Complexité linéaire [O(IN)]
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Performances (codage)
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1500
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4000
4500
50004723
25602621
1152
Coding (k=4,m=6) [email protected]
ISA-L d 4+2 coding +memcpy
Mojette RozoFS 4+2 coding
blocksize (Bytes)
CP
U C
yc
les
Résultats : Didier Féron, Rozo Systems
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Performances (codage)
8192 4096
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2500
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3500
4000
4500
50004723
25602621
1152
Coding (k=4,m=6) [email protected]
ISA-L d 4+2 coding +memcpy
Mojette RozoFS 4+2 coding
blocksize (Bytes)
CP
U C
yc
les
Débit = 6,40 GB/s
Ccl : le code Mojette est 2 fois plus rapide que la librarie ISA-L
Résultats : Didier Féron, Rozo Systems
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Performances (décodage)
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2500
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3500
4000
4500
50004710
2496
1536
768832
542
Decoding (m=4,k=6) [email protected]
ISA-L d 4+2 decoding +memcpy
Mojette RozoFS 4+2 decoding
memcpy
Blocksize (Bytes)
CP
U c
yc
les
Résultats : Didier Féron, Rozo SystemsRésultats : Didier Féron, Rozo Systems
Débit = 9,60 GB/s
Ccl : le code Mojette est 3 fois plus rapide que la librarie ISA-L
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33
Plan de la soutenance
Partie 1 : Le code à effacement Mojette– Généralité sur les codes
– Le code Mojette
– Performances
Partie 2 : Applications dans les réseaux auto-organisés– Les réseaux ad hoc (le projet SEREADMO)
– Les réseaux P2P (le projet P2PWeb)
Partie 3 : Le stockage distribué (le projet FEC4Cloud)– Le système de fichier distribué RozoFS
– Comparaison avec Ceph sur Grid5000
Conclusions– Conclusions et perspectives
– Résumé des encadrements
– Responsabilité collectives
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34
Partie 2 : Applications dans les réseaux auto-organisés de type ad hoc et P2P
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35
Mobile Ad hoc NETworks (MANET)
A
B
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36
Problèmes
Le routage
La qualité de service
La sécurité
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37
MP-OLSR
basé sur OLSR (RFC3626)– modification de l'algorithme de Dijkstra + fonctions auxiliaires
application du code à effacement Mojette– chaque route convoie une projection
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38
2006-2009 : le projet SEREADMO
Projet collaboratif RNRT : – Thales (resp.), Université de Poitiers/IRCOM-SIC, IRCCyN, Keosys
Objectif : Sécurisation des réseaux ad hoc par la transformation Mojette
RNRT 2005
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39
2006-2009 : le projet SEREADMO
Principaux résultats :– Définition du protocole MP-OLSR (IETF ID, Manet WG
document)
– Simulation (réaliste)/expérimentation des protocoles MP-OLSR et OLSR
– Validation dans le cadre de transfert vidéo graduable (H.264/SVC) protégée de manière inégale par un code Mojette
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40
Expérimentation MP-OLSR
Polytech Nantes, le 2 juin 2009
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41
Les réseaux P2P
Sont des réseaux auto-organisés
Agissent au niveau de la couche application (couche 7)
Système distribué très large échelle
Applications dans le stockage et la diffusion liveAlternative au modèle centralisé client/serveur
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42
2010-2012: le projet P2PWeb
Projet collaboratif (Région PdL) : TMG (resp.), LINA, IRCCyN
Objectifs : – delester le modèle centralisé Client/Serveur (C/S) par un modèle
distribué (et auto-organisé) pair-à-pair (P2P)
– proposer une architecture hybride C/S et P2P
– inclure des codes à effacement (reste à faire!)
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43
Le protocole P2PWeb
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44
Validation du protocole P2PWeb
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45
Plan de la soutenance
Partie 1 : Le code à effacement Mojette– Généralité sur les codes
– Le code Mojette
– Performances
Partie 2 : Applications dans les réseaux auto-organisés– Les réseaux ad hoc (le projet SEREADMO)
– Les réseaux P2P (le projet P2PWeb)
Partie 3 : Le stockage distribué (le projet FEC4Cloud)– Le système de fichier distribué RozoFS
– Comparaison avec Ceph sur Grid5000
Conclusions– Conclusions et perspectives
– Résumé des encadrements
– Responsabilité collectives
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46
Partie 3 : Le stockage distribué haute disponibilité et tolérant aux pannes
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47
2001: Internet Distributed Image Information System
GUÉDON, J.; PARREIN, B. & NORMAND, N. : Internet Distributed Image Information System. In: Integrated Computer-Aided Engineering, 8 (2001), Nr. 3, p. 205-214
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48
Haute disponibilité signifie...
accessible à 99,999999....%de la réplication le plus souvent...une infrastructure capable de supporter la chargeune haute consommation énergétique...et des problèmes de droit à la vie privée
– les codes à effacement réduisent fortement la taille de l'infrastructure pour un même taux de disponibilité
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49
Distributed File Systems (DFS)
HDFS (Hadoop)
Facebook file system (f4)
Scality (basé sur Chord)
CephFS, GlusterFS, ...
...
– aucun DFS n'utilise aujourd'hui des codes pour des données soumises à des I/O intensives
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50
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51
I/O Centric Distributed File System (DFS)– Software Defined Storage (SDS)
– Scale-Out NAS
– compatible POSIX
– pas de contrainte matérielle
– tolérant aux pannes (jusqu'à 4 pannes)
– code à effacement Mojette (sur blocs de 4Ko ou 8Ko)
– dédié données froides et chaudes
Projet Open source (licence GPL)
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52
metadata
Rozofsmount
Client Node
Storaged
Storage Node
Metadata Server
exportd
Storaged
Storage Node
Storaged
Storage Node
Data p
athD
ata path
Control path
Pool of storage Nodes
Monitoring
...
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53
Expérimentations in vivo sur GRID5K
● Cluster de Nantes (18 nœuds): Intel Xeon [email protected] GHz, 10GbE
● Layout 1 – code Mojette (6,4) vs triplication Ceph
● lecture aléatoire (blocs 4Ko) par IOZone
Résultats Alexandre van Kempen
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54
Expérimentations in vivo sur GRID5K
● Cluster de Nantes (18 nœuds): Intel Xeon [email protected] GHz, 10GbE
● Layout 1 – code Mojette (6,4) vs triplication Ceph
● écriture aléatoire (blocs 4Ko) par IOZone
Résultats Alexandre van Kempen
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55
Cas d'usage (validés) de RozoFS
Montage vidéo en ligne [Pertin et al., 2014]
Exécution de machines virtuelles (QEMU/KVM)
Déploiement de bases de données transactionnelles
...
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56
Réduction de l'espace de stockage
Capacité de stockage pour 10 Go utile
Résultats Bastien Confais
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57
Réduction de l'espace de stockage
Capacité de stockage pour 10 Go utile
Résultats Bastien Confais
Réduction d'un facteur 2 de l'espace de stockagePar l'usage des codes à effacement
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58
Le projet FEC4Cloud
ANR 2012 (appel Emergence)
Partenaires: IRCCyN (resp.), ISAE-SupAéro, SATT-OV
Objectif: valorisation et transfert
Résultats: – accompagnement de Rozo Systems à Nantes
– création de la start-up O'Fly Co à Toulouse
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59
Conclusions
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60
Conclusions et perspectives (1/4)
Code à effacement– code Mojette systématique et non systématique
– inscription dans la théorie des codes (algébriques)
– hautes performances à 10GB/s
Perspectives– Évaluation performance Mojette systématique
– Système de partage de secrets à base de codes linéaires (objectif du projet Privacy4Cloud)
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61
Conclusions et perspectives (2/4)
Stockage distribué– 1er DFS hautes performances basé sur des codes
– émergence de la société Rozo Systems
Perspectives
– Expérimentations large échelle (Grid5000)
– Comportement dans un contexte Big Data
– Décentralisation du modèle Cloud (le Fog!)
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62
Conclusions et perspectives (3/4)
Réseaux P2P– Protocole hybride client-serveur et P2P
– QoS/QoE pour diffusion live (voir CFIP 2015)
Perspectives– Recrutement Soufiane Rouibia en septembre!
– Couplage avec des codes à effacement
– Transport sans couture entre C/S et P2P (offre OTT de type MPEG-DASH)
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63
Conclusions et perspectives (4/4)
Réseaux ad hoc– Protocole de routage MP-OLSR (draft IETF)
– Couplage code MDS (tolérance aux pannes)
– Application pour la transmission vidéo
Perspectives
– Une RFC!
– Interaction avec une infrastructure (cf Internet des Objets)
– Implémentations embarquées (collab. Université Parana et LINA)
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64
Encadrements doctoraux (1/2)
Fadi Boulos– “Trafic audiovisuel à qualité d'usage garantie : caractérisation d'erreurs, de la
gêne associée et mécanismes de protection” (Directeur Patrick Lecallet)
Jiazi Yi– “Protocole de routage à chemins multiples pour réseaux auto-organisés”
(Directeur Jeanpierre Guédon)
Eddy Cizeron– “Routage multichemins et codage à description multiple dans les réseaux ad
hoc” (Directeur Jean-François Diouris)
Dan Radu– “Efficient communication strategies for mobile ad hoc networks”
(Directrice Adina Astilean)
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65
Encadrements doctoraux (2/2)
Dimitri Pertin (soutenance prévue avril 2016)– “Code à effacement par géométrie discrète pour le stockage
distribué” (Directeur Nicolas Normand) CIFRE Rozo Systems
Bastien Confais (demande de financement en cours)– “Du Cloud storage au Fog storage : transition énergétique et intérêt pour
l'Internet des Objets”
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66
Chronologie des soutenances de thèses
Travaux de thèse
1998
préparation HDR
2013
2015
ProjetSereadmo
2001
2006 2009
ProjetP2PWeb
ProjetFEC4Cloud
2015
2004 : recrutement MCF
Projet MatchSlide
Projet C2M
2001
2002 2004 2010
Eddy
Fadi
Jiazi
Dan
Dimitri
Bastien
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67
Chronologie des soutenances de thèses
Travaux de thèse
1998
préparation HDR
2013
2015
ProjetSereadmo
2001
2006 2009
ProjetP2PWeb
ProjetFEC4Cloud
2015
2004 : recrutement MCF
Projet MatchSlide
Projet C2M
2001
2002 2004 2010
Eddy
Fadi
Jiazi
Dan
Dimitri
Bastien
+ 21 stages masters depuis 2004
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68
Encadrements post-doctoraux
Asmaa Hassiba Adnane– projet Sereadmo
Majd Ghareeb– projet P2PWeb
Alexandre van Kempen– projet FEC4Cloud
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69
Responsabilités collectives
Enseignant en informatique (~250H par an)
Co-responsable de l'option Réseaux-Système-Cloud (RSC) à Polytech/INFO depuis 2011
Responsable des stages de fin d'étude à Polytech/INFO entre 2008-2011
Responsable de la formation doctorale entre 2008-2012 (ED-STIM)
Membre du GT “Innovation et valorisation de la recherche” auprès du Vice-Président Valorisation et Transfert de l'Université de Nantes depuis décembre 2014
Participation à la rédaction des documents cadres du RFI Numérique et du RFI Electronique (volet Innovation) pour la région Pays de la Loire
Membre du GT Science dans le cadre de la fusion IRCCyN – LINA
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70
Projet de création d'équipe de recherche
Stockage distribué : système de fichier distribué, Software Defined Storage, système large échelle, Cloud/Fog Computing, bilan énergétique, expérimentations in vivo
Réseaux : réseaux ad hoc, Internet des Objets, QoS, Software Defined Networks, simulations et expérimentations
Sécurité : tolérance aux pannes, résilience, droit à la vie privée, sécurité des systèmes et des réseaux, situation critique, plan de reprise d'activité
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71
Merci de votre attention!
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72
Bonus
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73
Liste publications 2010-2015 (1/2)
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74
Liste publications 2010-2015 (2/2)
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Formulation Mojette-Dirac
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76
Performance du code (#cycles CPU)
encodage(6,4) décodage (6,4)
Bloc 4K
Bloc 8K
Source :Dimitri Pertin, Didier Féron, Alexandre Van Kempen, Benoît Parrein, Performance evaluation of the Mojette erasure code for fault-tolerant distributed hot data storage, arXiv:1504.07038 [cs.IT], 5 pages, Avril 2015.
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77
MP-OLSR+FEC
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78
MP-OLSR+FEC
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GigE infrastructure
(data storage and metadata)
+
Standard GigE Infrastructure
Niveau clients/applications
ExternalNetworkExternalNetwork
Rozofsmount
Exportd
RozoFS
Rozofsmount Storage
Rozofsmount Storage
Rozofsmount Storage
Rozofsmount Storage
Preuve de concept Rozo Systems
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80
RozoFS et HDFS
Résultats Pauline FolzJeu de données 'Twitter' de 700 Mo
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81
Encadrements Masters
20 stages master depuis 2004
(…) (1) Xiang Zhu (2008), Polytech Nantes, Master SEGE, 100%, routage ad hoc, aujourd'hui Ingénieur HP China (2) Sylvain David (2009), Polytech Nantes, Ing. Informatique, 100%, routage ad hoc et code FEC, Ingénieur R&D Fizians (3) Wissam Hamdach (2010), Polytech Nantes, Master SEGE, 100%, routage ad hoc, ingénieur Télécom à Dubaï (4) Thibaut Perret (2011), Polytech Nantes, Ing. Informatique, 100%, réseau P2P, thèse au Canada (5) Jean-Daniel Fischer (2011), Polytech Nantes, Ing. Informatique, 50%, network time protocol (NTP) and RadClock, ingénieur Bouygues Télécom (6) Giulio d’Ippolito (2011), Université Roma Tre, Master, 50%, code à effacement, Ingénieur Système en Italie (7) Dimitri Pertin (2012), Polytech Nantes, Ing. Informatique, 50%, code à effacement, thèse CIFRE avec moi et l'entreprise Fizians (8) Nassima Bouzakaria (2012), Master Réseaux et Télécom, Université Paul Sabatier Toulouse, 50%, transport vidéo et P2P (9) Pauline Folz (2013), Université de Nantes, Master ALMA, 100 %, traitement distribué dans le Cloud, thèse CIFRE à Nantes Métropole (10) Vikram Runthla (2014), Polytech Nantes, Master international MDM, 100 %, optimisation de services sur réseaux à faible bande-passante (11) Chen Chao (2015), Polytech Nantes, Master international MDM, 50 %, Internet of Thing and Cloud infrastructure, collaboration avec Prof. Jinlong Hu, South China University of Technology (SCUT)...
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P2PWeb-Live (soumission CFIP 2015)
Technologies WebRTC et HLS
Ccl : Ça marche ! avec un allégement de charge pour le serveur de contenu de 50 %
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83
Facebook f4 cells (pour données “chaudes”) : 14 racks de 15 serveurs, 6.3K de disques (de 4TB chacun) soit 25 PB par cell (1EB = 1000PB = 1018 octets par datacentre)
[1] Muralidhar, S., Lloyd, W., Roy, S., Hill, C., Lin, E., Liu, W., ... & Kumar, S. f4: Facebook’s Warm BLOB Storage System. In Proceedings of the 11th USENIX conference on Operating Systems Design and Implementation (OSDI) (pp. 383-398). USENIX Association, October, 2014.
Stockage distribué tolérant aux pannes:l'exemple de Facebook
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84
Système d'information Facebook
Extrait de [1] Muralidhar, S., Lloyd, W., Roy, S., Hill, C., Lin, E., Liu, W., ... & Kumar, S. f4: Facebook’s Warm BLOB Storage System. In Proceedings of the 11th USENIX conference on Operating Systems Design and Implementation (OSDI) (pp. 383-398). USENIX Association, October, 2014.
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85
C E C I
E S T U
N E D O
N N E E
G N C T Proj(0,1)
C H H S K S E N A M B L W I
Proj(0,1)
Proj(1,1) Proj(-1,1)
N N R I H G V Y C
C E G A G Y Q B E E
IProj(-2,1)
Proj(2,1)
Élément de la donnée
Élément du code
Le code Mojette lettre
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101
Expérimentations in vivo sur GRID5K
Lecture séquentielle (en Mo/s)
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102
Expérimentations in vivo sur GRID5K
Écriture séquentielle (en Mo/s)