Thèse de Doctorat : Empreinte environnementale du Domain Name System (DNS)

Contexte de la thèse

Au sein de l’Institut de Recherche Technologique SystemX, situé au cœur du campus scientifique d’excellence mondiale de Paris-Saclay, vous prendrez une part active au développement d’un centre de recherche technologique de niveau international dans le domaine de l’ingénierie numérique des systèmes. Adossé aux meilleurs organismes de recherche français du domaine et constitué par des équipes mixtes d’industriels et d’académiques, ce centre a pour mission de générer de nouvelles connaissances et solutions technologiques en s’appuyant sur les percées de l’ingénierie numérique et de diffuser ses compétences dans tous les secteurs économiques.

Plus particulièrement au sein de l’IRT SystemX, le doctorant sera rattaché au domaine « IoT et Réseaux ». Le sujet de thèse a été défini dans le cadre du projet Impact Environnemental du Numérique (IEN) dont l’objectif est d’outiller l’évaluation de la performance environnementale des systèmes numériques, d’en évaluer l’impact environnemental et économique, et de recommander des usages plus adaptés.

La direction de la thèse sera assurée par Sébastien Tixeuil, Professeur au Laboratoire LIP6 de Sorbonne Université et la thèse sera inscrite à l’école doctorale EDITE, ED 130. Le ou la doctorant(e) bénéficiera d’un encadrement scientifique à l’IRT SystemX par Francesca Bassi, ingénieur-chercheur au sein de l’équipe Sécurité Numérique et Réseaux.

Le doctorant partagera son temps entre le LIP6 sur son site de Palaiseau-Lincs et l’IRT SystemX à Palaiseau.

Sujet de thèse

1. 1. Contexte et motivations

   L’empreinte environnementale des technologies numériques et des réseaux de communication est une préoccupation croissante. Le rapport du Shift Project [1] estime que le secteur numérique représente 3 à 4 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, et que son empreinte carbone pourrait potentiellement augmenter de 50 % d’ici 2030 si des mesures significatives pour améliorer son efficacité énergétique et sa durabilité ne sont pas mises en œuvre. Le rapport ADEME – Arcep [2] estime qu’une année de consommation numérique en France représente 2,5 % de l’empreinte carbone annuelle et 10 % de la consommation totale d’électricité du pays.

   Ces chiffres globaux restituent une vue d’ensemble du problème; mais une démarche plus précise exige une analyse détaillée des impacts composant par composant. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le réseau, un pilier essentiel des systèmes numériques. La plupart des recherches sur les coûts énergétiques d’Internet se concentrent sur les données issues de l’usage du web, mais on constate un manque d’études concernant le Domain Name System (DNS). Cette thèse se concentrera sur le DNS, un système critique d’Internet, qui permet l’association des noms de domaine aux adresses IP, assurant ainsi la connectivité de milliards de dispositifs techniques.

   La résolution DNS, la première étape de toute connexion Internet, fonctionne comme un protocole d’échange facilitant l’équilibrage dynamique des charges géographiques, les décisions de routage basées sur la proximité de l’utilisateur, la distribution de la charge, et diverses autres fonctionnalités pour les centres de données distribuées. La perception selon laquelle la résolution basée sur le DNS a un impact minimal sur l’empreinte carbone globale du réseau était justifiée par les propriétés du protocole DNS initial, qui est un protocole sans état et donc entraine un faible overhead de communication. Cependant, à mesure que la sécurité et la confidentialité sont devenues primordiales, la résolution DNS est devenue plus complexe, notamment avec l’introduction de la “poignée de main” TLS (Transport Layer Security) et des mécanismes de cryptage/décryptage. De nombreuses études ont montré que ces mesures de sécurité peuvent augmenter considérablement la consommation d’énergie des services de réseau [3] et comprendre comment la consommation d’énergie du DNS évolue est essentiel, en raison du rôle indispensable qu’il joue dans l’architecture d’Internet.

   2. Problématique

   L’objectif principale de la thèse est la construction d’outils pour évaluer, modéliser et prédire la consommation d’énergie directement liée à l’utilisation du protocole DNS. Si l’évaluation de la consommation énergétique attribuable au fonctionnement en veille de l’infrastructure déployée (serveurs) est relativement simple, modéliser et estimer avec précision la dépense énergétique liée au flux de requêtes DNS générées par les applications et les utilisateurs nécessite le développement d’outils mathématiques adaptés.

   3. Méthodologie

   Le travail de thèse se déroulera comme suit :

   1. Etude de l’état de l’art sur l’évaluation, la modélisation et la prédiction de la consommation énergétique des protocoles réseau. Etude de l’évolution du DNS en relation à ses protocoles de support, de l’UDP au DoT, au DoH et au DoQ. Analyse approfondie du processus de résolution DNS, côté client et côté serveur. Analyse approfondie de l’infrastructure DNS.
   2. Conception et mise en œuvre d’une plateforme pour effectuer des mesures DNS. La plateforme permettra d’isoler un seul « utilisateur » de DNS (émetteur de requêtes), tout en intégrant les composants impliqués dans la résolution DNS (DNS authoritative server, DNS top-level domain server, DNS root server, DNS resolver, client, intermediate routers, etc). La plateforme permettra de mesurer la consommation d’énergie de tous les composants identifiés et de créer un premier modèle simple pour chaque cas d’utilisation.
   3. À partir des mesures réelles du DNS, analyse du comportement du protocole DNS côté client et côté serveur. En particulier, diverses applications utilisateur seront caractérisées en fonction de leur comportement DNS, afin de modéliser des classes de demande.
   4. Modélisation et évaluation de la consommation d’énergie spécifique au DNS dans un contexte plus global (incluant plusieurs protocoles réseau, plusieurs serveurs d’applications non-DNS, plusieurs DNS authoritative servers, etc.). Cette évaluation peut être réalisée de manière analytique, par simulation et/ou en utilisant une plateforme à grande échelle comme slices-RI, hébergée par l’Université Sorbonne. Les éventuels écarts entre le modèle global et les mesures réelles permettront d’affiner le modèle.
   5. Prédiction de la consommation d’énergie liée au DNS dans plusieurs scénarios prévisionnels en utilisant le modèle global obtenu à l’étape précédente, et quantification de la consommation d’énergie de l’ensemble de l’utilisation du DNS avec une combinaison d’applications, d’utilisateurs et de paramètres de protocole DNS, tels que le caching.
   6. Calendrier

   T+0 – T+6 : Step 1

   T+6 – T+18 : Steps 2 and 3 en parallèle

   T+18 – T+28 : Step 4

   T+28 – T+36 : Step 5 / Rédaction du manuscrit

   5. Références

   [1] The Shift Project (2019), “Lean ICT: Towards Digital Sobriety”, https://theshiftproject.org/en/article/lean-ict-our-new-

   report/

   [2] Etude – Arcep (2022) “Evaluation de l’impact environnemental du numérique en France et analyse prospective”,

   https://www.arcep.fr/uploads/tx_gspublication/etude-numerique-environnement-ademe-arcep-note-

   synthese_janv2022.pdf

   [3] Caviglione, Luca, et al. « Measuring the energy consumption of cyber security. » IEEE Communications Magazine 55.7

   (2017): 58-63

Profil recherché

Le(la) candidat(te) doit justifier d’un Master recherche (et/ou diplôme d’ingénieur) en informatique, réseaux et télécoms ou mathématiques.

Connaissances et savoir-faire essentiels

Une forte curiosité scientifique, un goût pour les approches multidisciplinaires, de fortes compétences dans la formalisation de problèmes seront appréciés. Cette thèse fera appel à une dualité recherche fondamentale / recherche appliquée qui demandera des capacités d’adaptation à ce cadre avec des interactions régulières avec les partenaires industriels du projet IEN.

Qualités professionnelles

• Capacités d’analyse, forte autonomie et esprit d’équipe ;
• Organisation et rigueur ;
• Aptitude à communiquer aussi bien à l’oral qu’à l’écrit en français et en anglais.

Pour candidater, merci d’envoyer,

• un curriculum vitae détaillé,
• une lettre de motivation,
• un relevé de note de master 2 ou de dernière année d’école d’ingénieur
• les coordonnées d’un (ou plusieurs) référent(s)