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les réseaux Internet: de nouveaux challenges pour les optimiseurs

les réseaux Internet: de nouveaux challenges pour les optimiseurs. Eric Gourdin, Adam Ouorou, France Telecom division R&D. JFRO, 23 juin 2006. Sommaire. 0. Introduction Les télécoms: un environnement en constante évolution La R&D de France T é l é com Un réseau fédérateur: l'Internet

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les réseaux Internet: de nouveaux challenges pour les optimiseurs

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  1. les réseaux Internet:de nouveaux challenges pour les optimiseurs Eric Gourdin, Adam Ouorou, France Telecom division R&D JFRO, 23 juin 2006

  2. Sommaire 0 • Introduction • Les télécoms: un environnement en constante évolution • La R&D de France Télécom • Un réseau fédérateur: l'Internet • Les anciens et les nouveaux problèmes • Quelques « nouveaux » problèmes dans les réseaux Internet 1 2 3 4

  3. France Télécom Quelques chiffres: • Chiffre d'affaires: 49 milliards d'euros • Effectifs: 200 000 personnes Quelques dates: • 1997: ouverture du capital de France Télécom SA • 1er janvier 1998: ouverture à la concurrence • Mars 2000 à 2002: éclatement de la "bulle Internet" • Septembre 2004: France Télécom devient une entreprise privé • 1er juin 2006: lancement de la marque unique Orange

  4. France Télécom division R&D(ex-CNET) Quelques chiffres: • 4 200 chercheurs, techniciens et ingénieurs (dont 250 doctorants et post-doctorants) • 17 implantations dans le monde • 1.5 % des investissements consacrés à la R&D La RO à France Télécom • Un pôle de recherche: OptimOR • Env. 30 personnes (dont 12 doctorants) • Domaines: optimisation des réseaux fixes (cœur et collecte, transport IP, Ethernet, transmission SDH, Optique, WDM,…), mobiles et radio (GPRS, UMTS, Wifi, WiMax,…)

  5. les problèmes "classiques" • le problème de multiflot (multicommodity flow problem) • routage des demandes dans le réseau • conservation de flot + contraintes de capacités • en général, routage "continu" = plusieurs chemins par demande • nombreux cas de "sécurisation" (route de backup en cas de panne) • le problème de synthèse de réseau (network design) • conception d'un réseau à cout minimal (ajout de capacités) • contient le multiflot en sous-problème • le problème de localisation (location problem) • localisation d'équipement pour raccorder des clients

  6. IPv6 Security GigaEthernet Réseau IP 1 2 3 Transaction systems Service platforms • Physical networks / • transport 1 Cinq ruptures technologiques majeures qui permettent la révolution de l'opérateur intégré : 14 domaines d’expertise La mobilité partout 3 Le Haut Débit partout 2 Wifi, Wimax, Bluetooth Electromagnetisme Image XDSL Gigathernet Des plates-formes informatiques sur réseaux ouverts 5 Terminaux multi-accès innovants 4 Terminaux Passerelles domestiques Technologies du son Web services et Intermediation Commerce électronique Messagerie instantanée Connaissance du client

  7. l'Internet, qu'est-ce-que c'est ? • Un protocole très simple (IP) permettant l'interconnexion de réseaux • A la base, une seule exigence: la connexité ! (1969) • Un succès considérable avec l'apparition du Web (1991) • L'Internet s'est imposé comme le réseau incontournable pour les communications du futur CONSEQUENCES: • Protocole initial pas adapté pour le traitement d'applications temps-réels, pour la QoS,… • Mauvaise maitrise des flux de trafic • Fortes variations et incertitudes sur le trafic

  8. l'Internet, qu'est-ce-que c'est ? Source: www.caida.org

  9. Autonomes System (AS) BGP router IGP router l'Internet: beaucoup de questions comment s'interconnecter ? quelles architectures ? quels routages ? quels trafics ?

  10. les "nouveaux" problèmes • le problème de multiflot (multicommodity flow problem) • avec contraintes de delais, de QoS,… • avec contrainte de routage IGP (plus-court-chemin) • avec demandes multicast • le problème de synthèse de réseau (network design) • avec incertitude sur la demande • avec prise en compte de la couche transport (optique) • le problème de localisation (location problem) • avec trajectoire (multi-période)

  11. 1 • Les problème de routage • Collaboration avec W. Ben Ameur, O. Klopfenstein

  12. 2 1 2 1 2 3 2 1 1 Les problème de routage • Routage "classique" dans l'Internet base sur la notion de plus-court-chemin (RIP, OSPF, IS-IS) • Principes: • L'administrateur réseau affecte des poids aux liens • Les routeurs calculent un plus-court-chemin pour chaque destination • Le trafic est écoulé sur ce plus-court-chemin

  13. 25% 25% 50% 25% 75% 50% 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 3 3 2 2 1 1 1 1 Les problème de routage • Nombreuses variantes: • plus-court-chemins multiples: protocole ECMP

  14. Les problème de routage • MPLS (Multi-Protocol Label Switching): • Permet de router "librement" les demandes • Principes: • L'administrateur réseau défini un chemin par demande • LSP = Label Switched Path 3→(5,3) 1 B D 3 2 1 2→ F→(3,1) F A 3 2 2 4 E C 1 5→(2,4)

  15. 25 Mb/s 75 Mb/s 2 50 Mb/s 5 50 Mb/s 1 100 Mb/s 100 Mb/s 1 1 5 1 5 5 Les problème de routage • MPLS (Multi-Protocol Label Switching): • → Plus de souplesse que plus-court-chemins B D MPLS F A E C B D IGP: plus-court chemins F A E C

  16. 2 b d b d 1 2 1 f 1 1 a f a 1000 2 1 b d 1 e 1000 c 2 e c 1 Plus-court chemins multiples f Chemins multiples a 1 b d 1000 3 b d e c 1 2 Plus-court chemins f 1 a f 1 1 a 2 2 e c e c 2 Chemins uniques Plus-court chemins uniques Les problème de routage • Nombreuses stratégies de routage !!!

  17. 2 1 2 1 2 3 2 1 1 Les problème de routage • Contraintes du modèle: • routage d'une demande sur un unique chemin → variable de routage {0,1}: multiflot entier • existence d'une métrique → problème inverse

  18. Les problème de routage • Différents problèmes imbriqués: • P1 : Avec quelle métrique réaliser un plan de routage donné ? • P2: Dans un réseau IP donné, comment router les demandes de manière à utiliser "au mieux" les ressources ? • P3: Comment concevoir un réseau IP à cout minimum sachant que les demandes seront routées sur des pcc ?

  19. 2 1 2 tk 1 2 3 2 1 1 Les problème de routage • Quelques notations: • Graphe orienté G = (V,A) ou non- orienté G = (V,E) • Métrique ou poids sur les arcs a = (i,j): wa = wij • Ensemble de demandes K • Une demande k  K = triplet (o(k),d(k),tk) • Ensemble des chemins simples entre o(k) et d(k): Pk d(k) o(k)

  20. Les problème de routageP1 : Avec quelle métrique réaliser un plan de routage donné ? • → Le problème d'inférence de métrique IGP • → existe-t-il une metrique IGP telle que chaque chemin soit un unique plus-court-chemin ?

  21. P1.1 P1.2 Les problème de routageP1 : le problème d'inférence de métrique IGP • 2 modèles pour le problème P1: O(m) var O(n2 x |Pk|) cst O(m+n3) var O(n2 x m) cst

  22. Les problème de routageP1 : le problème d'inférence de métrique IGP • problèmes test: • Réseaux en grille s x s • Nombre de nœuds n = s x s • Nombre d'arêtes m = 2 s x (s-1) • Nombre de demandes k = 2 x s • Solveur: • Xpress-MP

  23. Les problème de routageP1 : le problème d'inférence de métrique IGP

  24. Les problème de routageP1 : le problème d'inférence de métrique IGP

  25. 3 3 1 2 3 3 1 1 3 3 1 2 1 1 1 2 3 1 4 4 4 1 1 2 Les problème de routageP1 : Avec quelle métrique réaliser un plan de routage donné ? • Solution:

  26. Single path Routing Problem (QoS objective) rek {0,1} , Z real Single paths Compatibility cut Shortest path Problem (metric search) we1 Single shortest path routing Les problème de routageP2 : routage IGP qui maximise la QoS Z : minimum remaining capacity rek : equal to 1 if commodity k is routed on edge e.

  27. Single path routing Problem Shortest path problem (metric search) Les problème de routageP2 : routage IGP qui maximise la QoS Problème maitre : monoroutage Ce: capacité de l'arête e E. tk: volume de la demande k  K.

  28. Single path routing Problem Shortest path problem (metric search) Les problème de routageP2 : routage IGP qui maximise la QoS Sous-problème : inférence de métrique (rek)e: solution de (mono-)routage de la demande k ( input) we : valeur de métrique IGP sur l'arête e ( output) qk : gap entre longueur du chemin donne par (rek)e et chemin q.

  29. c e c x b a d b a b e c a Les problème de routageP2 : routage IGP qui maximise la QoS

  30. Volume demande k sur chemin p Trafic ou flot sur l'arête e Capacité résiduelle minimale Les problème de routageP2 : routage IGP qui maximise la QoS • → Comment modéliser (macroscopiquement) la QoS ?

  31. Les problème de routageP2 : routage IGP qui maximise la QoS b • Maximiser la capacité résiduelle • minimale • Une certaine vision de la robustesse • Minimiser la somme des • charges • Fonction convexe (Kleinrock) • Linéarisation (Fortz&Thorup) a d z c Cout Capacité

  32. Les problème de routageP2 : routage IGP qui maximise la QoS • Quelques effets pervers… • Petit exemple: une demande (a,b,1), 10 chemins 10 3 2 2 a b 1

  33. Les problème de routageP2 : routage IGP qui maximise la QoS • "Vrais" critères • Critères "QoS": • Délais de bout-en-bout, perte de paquets, congestion, gigue,… • Critères "Gestion des ressources": • Utilisation de ressource rares, préserver des capacités pour les pannes, • Pics de trafic, robustesse face aux incertitudes • Absorber les fluctuations de trafic (homogène ou non),…

  34. Les problème de routageP2 : routage IGP qui maximise la QoS • Quelques modèles (agrégés, macroscopiques,…) • "Classiques" • Minimisation d'un "cout de routage" • Minimisation d'une fonction de délais • Fonction plus générale (Mo&Walrand) • Cas particulier  = 2 • Cas particulier  = 

  35. 10 3 2 2 a b 1 Les problème de routageP2 : routage IGP qui maximise la QoS • Notion de QoS (Quality of Service) • Petit exemple (suite): fonction générale

  36. 2 • Les problème de routage multicast • Collaboration avec Ph. Chrétienne, P. Fouilhoux, F. Sourd, N. Faure (thèse)

  37. 5 Les problème de routage multicast • services unicast: entre 2 points du réseau • services multicast : entre plus de 2 points du réseau • Point-à-multipoint ex: radio, television sur IP (MaLigne TV) • Multipoint-à-multipoint : all the nodes can interact ex: visioconférence

  38. 1 Les problème de routage multicast • services unicast: entre 2 points du réseau • services multicast : entre plus de 2 points du réseau • Point-à-multipoint ex: radio, television sur IP (MaLigne TV) • Multipoint-à-multipoint ex: visioconférence Arbre multicast ≈ arbre de Steiner

  39. Les problème de routage multicast • Différents problèmes imbriqués: • P1 : Comment construire un arbre multicast à cout minimum ? • → Arbre de Steiner • P2: Comment placer "optimalement" k arbres de Steiner ? • P3: Comment regrouper "optimalement" des arbres de Steiner ?

  40. Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast • 1 nœud source • m groupes multicasts • p arbres multicasts (p << m) 3 groupes multicasts nœud source • Objective: minimiser la bande passante gaspillée

  41. Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast • p = 1 (un arbre multicast) • 5 unités de bande passante gaspillées !

  42. Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast • p = 2 (deux arbres multicasts) • 2 unités de bande passante gaspillées !

  43. Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast clients a 1. Regrouper les sessions b c source d 2. Construire les arbres e f

  44. sessions clients c a B a e a c Ve b d b R c d c f a d N d e e Vi e c J f f Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast Graphe bi-partie

  45. clients a b c d e f Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast

  46. sessions clients c a B a e a c Ve b d b R c d c f a d N d e e Vi e c J f f Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast

  47. Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast • Modèle 1: partitionnement d'arêtes + no de clusters I : Clients J : Sessions E : Arêtes a B xik = 1 si client i dans le cluster k yjk = 1 si session j dans le cluster k Ve b R c N d e Vi f J • Induit une couverture des nœuds (clients, sessions)

  48. Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast • Modèle 1: linéarisation k i j k k i j • Partitionnement des sessions

  49. k Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast • Modèle 2: partitionnement de sessions + no de cluster k i j

  50. Modèle 3: partitionnement de sessions + pas de no de cluster Les problème de routage multicastP3 : regrouper optimalement des arbres multicast I : Clients J : Sessions E : Arêtes a B zaR = 1 si on ajoute l'arete entre a et R Ve b R c xRN = 1 si sessions R et N dans le meme cluster N d e Vi f J f

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