Combinatorial optimization in networks with Shared Risk Link Groups

International audienceThe notion of Shared Risk Link Groups (SRLG) captures survivability issues when a set of links of a network may fail simultaneously. The theory of survivable network design relies on basic combinatorial objects that are rather easy to compute in the classical graph models: shortest paths, minimum cuts, or pairs of disjoint paths. In the SRLG context, the optimization criterion for these objects is no longer the number of edges they use, but the number of SRLGs involved. Unfortunately, computing these combinatorial objects is NP-hard and hard to approximate with this objective in general. Nevertheless some objects can be computed in polynomial time when the SRLGs satisfy certain structural properties of locality which correspond to practical ones, namely the star property (all links affected by a given SRLG are incident to a unique node) and the span 1 property (the links affected by a given SRLG form a connected component of the network). The star property is defined in a multi-colored model where a link can be affected by several SRLGs while the span property is defined only in a mono-colored model where a link can be affected by at most one SRLG. In this paper, we extend these notions to characterize new cases in which these optimization problems can be solved in polynomial time. We also investigate the computational impact of the transformation from the multi-colored model to the mono-colored one. Experimental results are presented to validate the proposed algorithms and principles

Force and Proficient Data Replica Discovery in WSN

We propose the distributed clone detection method and star topology is used to discover the replica data in the wireless sensor networks. In this paper vitality practiced space careful clone guarantee prosperous clone assault location and carry on satisfactory system period of time. Solidly, we tend to abuse the realm information of sensors and subjectively separate witnesses located in an exceedingly ring region to envision the genuineness of sensors and to report known clone assaults. Besides the clone detection likelihood, we tend to additionally contemplate energy consumption and memory storage within the style of clone detection protocol, i.e., associate degree energy- and memory economical distributed clone detection protocol with random witness choice theme in WSNs

Vers des réseaux optiques efficaces et tolérants aux pannes : complexité et algorithmes

We study in this thesis optimization problems with application in optical networks. The problems we consider are related to fault-tolerance and efficient resource allocation and the results we obtain are mainly related to the computational complexity of these problems. The first part of this thesis is devoted to finding paths and disjoint paths. Finding a path is crucial in all types of networks in order to set up connections and finding disjoint paths is a common approach used to provide some degree of protection against failures in networks. We study these problems under different settings. We first focus on finding paths and node or link-disjoint paths in networks with asymmetric nodes, which are nodes with restrictions on their internal connectivity. Afterwards, we consider networks with star Shared Risk Link Groups (SRLGs) which are groups of links that might fail simultaneously due to a localized event. In these networks, we investigate the problem of finding SRLG-disjoint paths. The second part of this thesis focuses on the problem of Routing and Spectrum Assignment (RSA) in Elastic Optical Networks (EONs). EONs are proposed as the new generation of optical networks and they aim at an efficient and flexible use of the optical resources. RSA is the key problem in EONs and it deals with allocating resources to requests under multiple constraints. We first study the static version of RSA in tree networks. Afterwards, we examine a dynamic version of RSA in which a non-disruptive spectrum defragmentation technique is used. Finally, we present in the appendix another problem that has been studied during this thesis.Nous étudions dans cette thèse des problèmes d’optimisation avec applications dans les réseaux optiques. Les problèmes étudiés sont liés à la tolérance aux pannes et à l’utilisation efficace des ressources. Les résultats obtenus portent principalement sur la complexité de calcul de ces problèmes. La première partie de cette thèse est consacrée aux problèmes de trouver des chemins et des chemins disjoints. La recherche d’un chemin est essentielle dans tout type de réseaux afin d’y établir des connexions et la recherche de chemins disjoints est souvent utilisée pour garantir un certain niveau de protection contre les pannes dans les réseaux. Nous étudions ces problèmes dans des contextes différents. Nous traitons d’abord les problèmes de trouver un chemin et des chemins lien ou nœud- disjoints dans des réseaux avec nœuds asymétriques, c’est-à-dire des nœuds avec restrictions sur leur connectivité interne. Ensuite, nous considérons les réseaux avec des groupes de liens partageant un risque (SRLG) en étoile : ensembles de liens qui peuvent tomber en panne en même temps suite à un événement local. Dans ce type de réseaux, nous examinons le problème de recherche des chemins SRLG-disjoints. La deuxième partie de cette thèse est consacrée au problème de routage et d’allocation de spectre (RSA) dans les réseaux optiques élastiques (EONs). Les EONs sont proposés comme la nouvelle génération des réseaux optiques et ils visent une utilisation plus efficace et flexible des ressources optiques. Le problème RSA est central dans les EONs. Il concerne l’allocation de ressources aux requêtes sous plusieurs contraintes

A survey of strategies for communication networks to protect against large-scale natural disasters

Recent natural disasters have revealed that emergency networks presently cannot disseminate the necessary disaster information, making it difficult to deploy and coordinate relief operations. These disasters have reinforced the knowledge that telecommunication networks constitute a critical infrastructure of our society, and the urgency in establishing protection mechanisms against disaster-based disruptions

Domain/Multi-Domain Protection and Provisioning in Optical Networks

L’évolution récente des commutateurs de sélection de longueurs d’onde (WSS -Wavelength Selective Switch) favorise le développement du multiplexeur optique d’insertionextraction reconfigurable (ROADM - Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers) à plusieurs degrés sans orientation ni coloration, considéré comme un équipement fort prometteur pour les réseaux maillés du futur relativement au multiplexage en longueur d’onde (WDM -Wavelength Division Multiplexing ). Cependant, leur propriété de commutation asymétrique complique la question de l’acheminement et de l’attribution des longueur d’ondes (RWA - Routing andWavelength Assignment). Or la plupart des algorithmes de RWA existants ne tiennent pas compte de cette propriété d’asymétrie. L’interruption des services causée par des défauts d’équipements sur les chemins optiques (résultat provenant de la résolution du problème RWA) a pour conséquence la perte d’une grande quantité de données. Les recherches deviennent ainsi incontournables afin d’assurer la survie fonctionnelle des réseaux optiques, à savoir, le maintien des services, en particulier en cas de pannes d’équipement. La plupart des publications antérieures portaient particulièrement sur l’utilisation d’un système de protection permettant de garantir le reroutage du trafic en cas d’un défaut d’un lien. Cependant, la conception de la protection contre le défaut d’un lien ne s’avère pas toujours suffisante en termes de survie des réseaux WDM à partir de nombreux cas des autres types de pannes devenant courant de nos jours, tels que les bris d’équipements, les pannes de deux ou trois liens, etc. En outre, il y a des défis considérables pour protéger les grands réseaux optiques multidomaines composés de réseaux associés à un domaine simple, interconnectés par des liens interdomaines, où les détails topologiques internes d’un domaine ne sont généralement pas partagés à l’extérieur. La présente thèse a pour objectif de proposer des modèles d’optimisation de grande taille et des solutions aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ces modèles-ci permettent de générer des solutions optimales ou quasi-optimales avec des écarts d’optimalité mathématiquement prouvée. Pour ce faire, nous avons recours à la technique de génération de colonnes afin de résoudre les problèmes inhérents à la programmation linéaire de grande envergure. Concernant la question de l’approvisionnement dans les réseaux optiques, nous proposons un nouveau modèle de programmation linéaire en nombres entiers (ILP - Integer Linear Programming) au problème RWA afin de maximiser le nombre de requêtes acceptées (GoS - Grade of Service). Le modèle résultant constitue celui de l’optimisation d’un ILP de grande taille, ce qui permet d’obtenir la solution exacte des instances RWA assez grandes, en supposant que tous les noeuds soient asymétriques et accompagnés d’une matrice de connectivité de commutation donnée. Ensuite, nous modifions le modèle et proposons une solution au problème RWA afin de trouver la meilleure matrice de commutation pour un nombre donné de ports et de connexions de commutation, tout en satisfaisant/maximisant la qualité d’écoulement du trafic GoS. Relativement à la protection des réseaux d’un domaine simple, nous proposons des solutions favorisant la protection contre les pannes multiples. En effet, nous développons la protection d’un réseau d’un domaine simple contre des pannes multiples, en utilisant les p-cycles de protection avec un chemin indépendant des pannes (FIPP - Failure Independent Path Protecting) et de la protection avec un chemin dépendant des pannes (FDPP - Failure Dependent Path-Protecting). Nous proposons ensuite une nouvelle formulation en termes de modèles de flots pour les p-cycles FDPP soumis à des pannes multiples. Le nouveau modèle soulève un problème de taille, qui a un nombre exponentiel de contraintes en raison de certaines contraintes d’élimination de sous-tour. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ce problème, on examine : (i) une décomposition hiérarchique du problème auxiliaire dans le modèle de décomposition, (ii) des heuristiques pour gérer efficacement le grand nombre de contraintes. À propos de la protection dans les réseaux multidomaines, nous proposons des systèmes de protection contre les pannes d’un lien. Tout d’abord, un modèle d’optimisation est proposé pour un système de protection centralisée, en supposant que la gestion du réseau soit au courant de tous les détails des topologies physiques des domaines. Nous proposons ensuite un modèle distribué de l’optimisation de la protection dans les réseaux optiques multidomaines, une formulation beaucoup plus réaliste car elle est basée sur l’hypothèse d’une gestion de réseau distribué. Ensuite, nous ajoutons une bande pasiv sante partagée afin de réduire le coût de la protection. Plus précisément, la bande passante de chaque lien intra-domaine est partagée entre les p-cycles FIPP et les p-cycles dans une première étude, puis entre les chemins pour lien/chemin de protection dans une deuxième étude. Enfin, nous recommandons des stratégies parallèles aux solutions de grands réseaux optiques multidomaines. Les résultats de l’étude permettent d’élaborer une conception efficace d’un système de protection pour un très large réseau multidomaine (45 domaines), le plus large examiné dans la littérature, avec un système à la fois centralisé et distribué.Recent developments in the wavelength selective switch (WSS) technology enable multi-degree reconfigurable optical add/drop multiplexers (ROADM) architectures with colorless and directionless switching, which is regarded as a very promising enabler for future reconfigurable wavelength division multiplexing (WDM) mesh networks. However, its asymmetric switching property complicates the optimal routing and wavelength assignment (RWA) problem, which is NP-hard. Most of the existing RWA algorithms do not consider such property. Disruption of services through equipment failures on the lightpaths (output of RWA problem) is consequential as it involves the lost of large amounts of data. Therefore, substantial research efforts are needed to ensure the functional survivability of optical networks, i.e., the continuation of services even when equipment failures occur. Most previous publications have focused on using a protection scheme to guarantee the traffic connections in the event of single link failures. However, protection design against single link failures turns out not to be always sufficient to keep the WDM networks away from many downtime cases as other kinds of failures, such as node failures, dual link failures, triple link failures, etc., become common nowadays. Furthermore, there are challenges to protect large multi-domain optical networks which are composed of several singledomain networks, interconnected by inter-domain links, where the internal topological details of a domain are usually not shared externally. The objective of this thesis is to propose scalable models and solution methods for the above problems. The models enable to approach large problem instances while producing optimal or near optimal solutions with mathematically proven optimality gaps. For this, we rely on the column generation technique which is suitable to solve large scale linear programming problems. For the provisioning problem in optical networks, we propose a new ILP (Integer Linear Programming) model for RWA problem with the objective of maximizing the Grade of Service (GoS). The resulting model is a large scale optimization ILP model, which allows the exact solution of quite large RWA instances, assuming all nodes are asymmetric and with a given switching connectivity matrix. Next, we modify the model and propose a solution for the RWA problem with the objective of finding the best switching connectivity matrix for a given number of ports and a given number of switching connections, while satisfying/maximizing the GoS. For protection in single domain networks, we propose solutions for the protection against multiple failures. Indeed, we extent the protection of a single domain network against multiple failures, using FIPP and FDPP p-cycles. We propose a new generic flow formulation for FDPP p-cycles subject to multiple failures. Our new model ends up with a complex pricing problem, which has an exponential number of constraints due to some subtour elimination constraints. Consequently, in order to efficiently solve the pricing problem, we consider: (i) a hierarchical decomposition of the original pricing problem; (ii) heuristics in order to go around the large number of constraints in the pricing problem. For protection in multi-domain networks, we propose protection schemes against single link failures. Firstly, we propose an optimization model for a centralized protection scheme, assuming that the network management is aware of all the details of the physical topologies of the domains. We then propose a distributed optimization model for protection in multi-domain optical networks, a much more realistic formulation as it is based on the assumption of a distributed network management. Then, we add bandwidth sharing in order to reduce the cost of protection. Bandwidth of each intra-domain link is shared among FIPP p-cycles and p-cycles in a first study, and then among paths for link/path protection in a second study. Finally, we propose parallel strategies in order to obtain solutions for very large multi-domain optical networks. The result of this last study allows the efficent design of a protection scheme for a very large multi-domain network (45 domains), the largest one by far considered in the literature, both with a centralized and distributed scheme

End-to-End Path Computer Schemes for Traffic Engineering in Next Generation Multi-Domain Networks

RÉSUMÉ Avec la venue des réseaux de prochaine génération basés sur le paradigme tout-IP et la demande croissante en qualité de service (QdS) des nouvelles applications temps réel, il existe un besoin imminent pour des mécanismes capables de soutenir le trac de bout-en-bout. Les requis de QdS sont souvent décrits par les paramètres de bande passante, délai, gigue, perte de paquets et disponibilité. Ainsi, les opérateurs de réseaux ont un besoin imminent de techniques qui leur permettraient de satisfaire les exigences de QdS des nouvelles applications IP. Le consensus pour subvenir aux exigences de QdS est la pratique de l'ingénierie de trac. L'ingénierie de trac consiste à acheminer le trac de façon optimale en utilisant les ressources disponibles, tout en satisfaisant les contraintes de QdS et celles du réseau. Cela est souvent réalisé en calculant des chemins optimaux par l'ingénierie de trac, qui constitue l'aspect central de cette thèse. En effet, les paramètres de performances de QdS peuvent être satisfaits en choisissant avec soin un chemin qui a assez de bande passante disponible et qui offre un délai et une gigue acceptable. Si la bande passante est réservée le long de ce chemin, la congestion peut être évitée et la perte de paquets peut ainsi être éliminée. En outre, le calcul minutieux des chemins principaux et de recours permet une meilleure disponibilité en cas de panne de lien ou de noeud. De plus, étant donné que le trac est habituellement transporté à travers différents réseaux administratifs, l'aspect inter-domaine du problème ne peut être négligé. Puis, il y a le fait que les réseaux sont de nature multi-couches. Donc, l'ingénierie de trac de bout-en-bout ne peut être atteint que si les aspects inter-domaine et inter-couche sont pris en compte. À cette fin, cette thèse propose un cadre complet pour l'aspect calcul de chemin bout-en-bout de l'ingénierie de trac, divisé en trois volets. Ces volets suivent tous la technologie G/MPLS pour l'acheminement du trac et la réservation de ressources sur les chemins optimaux calculés.---------ABSTRACT With the advent of all-IP Next Generation Networks and the ever increasing Quality of Service (QoS) demands of new real time IP applications, there is a stringent need for mechanisms that allow the end-to-end sustainment of the trac. QoS requirements are usually a set of network performance indicators that need to be satised in order for the IP applications to function properly. Common QoS parameters are the bandwidth, delay, jitter, packet loss and availability. Thus, network operators urgently need to implement solutions enabling them to satisfy the QoS requirements of real time IP applications. The consensus for QoS provisioning is the application of well dened trac engineering mechanisms, which consists in optimally routing the trac using available resources while satisfying QoS and network constraints. This is often achieved by trac engineered path computation, which is the central focus of this thesis. Indeed, the QoS performance parameters can be met by carefully choosing a path that has the available bandwidth, offers the acceptable delay and jitter. If bandwidth is reserved along this path, congestion is avoided and the packet loss performance parameter can also be met. Moreover, careful calculation of primary and backup paths allows high availability in case of node or link failure. Moreover, there is the fact that trac is usually transported across different administrative networks. Then, there is the detail that networks are multi-layer in nature. Thus, true end-to-end trac engineering can only be achieved if inter-domain and inter-layer aspects are both considered. To this end, this thesis proposes an overall framework for the end-to-end trac engineered path computation problem. As discussed below, the framework is subdivided into three separate aspects, all relying on G/MPLS forwarding technology, which enables a controlled routing and the reservation of resources along trac engineered paths. The proposals for each aspect are the outcome of extensive literature review which identify existing solutions, if any, and the reasons of their shortcomings or non-existence. This review limits the direction to be taken to nd a solution, often by using existing standards and protocols. This is extremely important given the fact that the research topic of this thesis is closely tied to problems of near future generation networks. Thus, it is crucial to reuse existing methods and standards as much as possible in order to get the approval of the research community on the proposed solutions. Moreover, each aspect or sub-problem is carefully studied by dening the actual real world dilemmas surrounding it