Institut de la francophonie Université catholique de pour l’informatique Louvain Diversification et nouveaux objectifs de recherche locale pour l’ingénierie de trafic dans les réseaux IP Rapport de stage de fin d’études Réalisé par : HO Trong Viet Promotion XII - IFI Sous la direction de : Yves Deville Olivier Bonaventure Pierre François Département d’Ingénierie Informatique Université catholique de Louvain Louvain La Neuve, le 10 août 2008 Table des matières Remerciements Résumé Abstract Liste des figures Liste des tableaux Chapitre : Introduction Problématique Motivation Objectifs 10 Contribution 11 Environnement de stage 13 Chapitre : Recherche Locale et Comet 15 Recherche locale 15 1.1 Méthodes de résolution heuristiques 15 1.2 Les composants principaux de LSA 16 1.2.1 Génération de la solution initiale 16 1.2.2 Heuristiques ou méta-heuristiques pour le choix du voisin 16 1.2.3 Stratégie d’intensification ou de diversification 17 1.2.4 Critères d’arrêt 18 1.3 Le générique de recherche locale 18 1.3.1 Les heuristiques 18 1.3.2 Les méta-heuristiques 19 Comet 21 2.1 Le choix de COMET 21 2.2 Langage de COMET 22 2.2.1 Architecture de COMET 22 2.2.2 Le programme de COMET 24 2.2.2.1 Le modèle 24 2.2.2.2 Les variables de décision 25 2.2.2.3 Les contraintes 25 2.2.2.4 La procédure de recherche 25 Chapitre : Le problème de convergence dans les protocoles de routage IP 27 Routage IP et convergence 27 1.1 Le protocole IP 27 1.2 Routage IP 27 1.3 OSPF 27 1.3.1 Routage avec OSPF 27 1.3.2 Convergence OSPF 28 Les techniques de protection de liens 29 2.1 MPLS Fast Reroute 29 2.2 Loop-Free Alternates (LFA) 30 2.2.1 LFA par lien 31 2.2.2 LFA par préfixe 32 2.3 LFA vs MPLS FRR 33 2.4 Equal Cost Multi-Path (ECMP) 34 Le cadre d’ingénierie du réseau 35 3.1 Introduction 35 3.2 Exemple de la configuration de topologie du réseau 37 3.2.1 Configuration initiale avec les poids d’unité 37 3.2.2 Modification locale de poids de lien encombré 38 3.2.3 Opimisation globale de la charge de liens 39 Description de problèmes 39 4.1 Problème 40 4.2 Problème 41 4.3 Problème 42 Chapitre : Algorithme de recherche locale pour le problème de convergence 43 Mesure du trafic 43 Optimisation des métriques IGP 45 2.1 La séquence de métriques clés 45 2.2 Les composants principaux 48 2.2.1 Génération des solutions initiales 48 2.2.2 Fonction d’objectif 50 2.2.3 Choix de la solution voisine 51 2.2.4 Diversification et critères d’arrêt 53 2.3 Description algorithmique 54 Chapitre : Expérimentation et Analyse 57 Environnement d’implémentation 57 1.1 IGEN 57 1.2 TOTEM 58 Algorithme IGPWO de TOTEM 59 Comparaison entre LSA4IGPWO et IGPWO de TOTEM 61 3.1 Point de vue algorithmique 61 3.2 Résultats expérimentaux 62 3.2.1 Minimisation de la valeur de MaxUtilisation 63 3.2.2 Impacts sur la couverture de LFA 64 Conclusion 65 Références 66 Remerciements Je tiens d’abord remercier Yves Deville, Olivier Bonaventure et Pierre François, qui ont dirigé mon mémoire de fin d’études Leurs commentaires éclairés, leurs judicieux conseils, leur disponibilité et leurs encouragements m’ont considérablement aidé mener terme mes travaux Je remercie aussi les membres du groupe Be-cool (Belgian Constraint Group) du Département d’Ingenierie Informatique pour leur accueil, leur aide et leur bonne humeur tout long de mon stage Ma reconnaissance s’adresse aussi aux professeurs l’Institut de la Francophonie pour l’Informatique (IFI) Leurs cours m’ont apporté des connaissances et des suggestions qui sont utiles pour mon mémoire Finalement, j’exprime mon entière reconnaissance ma famille et mes amis pour leur soutien, leur aide et leurs encouragements Sans leur aide, je n’aurais pas pu achever ce mémoire Résumé Les applications de multi-média comme la vidéo-conférence IP, la téléphonie IP et la télévision IP entraînent l’augmentation de demandes de trafic dans les réseaux Dès lors, une utilisation efficace des ressources disponibles, par les protocoles de routage IP traditionnels devient critique OSPF (Open Shortest Path First) est le protocole de routage interne le plus utilisé Il route les flux de trafic le long des plus courts chemins dans le graphe représentant les routeurs (noeuds) et leurs liens (arêtes) du réseau Les poids des liens du réseau peuvent être changés par l’opérateur du réseau Grâce une optimisation de ces poids, nous pouvons améliorer considérablement la charge des liens, répondant ainsi l'augmentation de demandes de trafic, tout en utilisant les ressources disponibles et sans modifier le protocole Cependant, cette optimisation est un problème complexe (NP-difficile), dont la solution ne peut pas être trouvée au moyen d’une méthode de résolution exacte Pour ce type de problèmes d'optimisation, la recherche locale est une approche adéquate Dans cette recherche, nous avons conçu un programme capable de résoudre le problème d’optimisation de poids des liens en utilisant un algorithme de la recherche locale Nous avons proposé des heuristiques nouvelles pour cette approche Un autre aspect essentiel de la transmission de données fournie par OSPF est son temps de récupération en cas de panne Des mécanismes de récupération locale (IP Fast Reroute) ont été récemment mis en place pour fournir une telle récupération rapide Ces techniques fournissent des détours locaux autour des composants en panne, et donc changent l’utilisation des ressources du réseau au moment de leur activation Dans notre travail, nous avons évalué l’impact des différentes solutions d’optimisation des poids sur l’utilisation des ressources du réseau lors de l’activation des mécanismes de protection Deux mécanismes de Fast Reroute ont été examinés : Loop Free Alternates et MPLS Fast Reroute Un aspect intéressant des LFAs est qu’ils sont applicables uniquement dans certaines conditions portant sur le graphe du réseau et la configuration des métriques des liens Par conséquent, nous avons également étudié l’impact des solutions d’optimisation des poids sur l’applicabilité de cette technique Nous avons implémenté les solutions présentées dans ce mémoire dans COMET, et nous avons comparé leur performance et impact sur l’applicabilité des LFAs avec la solution de recherche taboue de TOTEM (TOolbox for Traffic Engineering Methods) Abstract Multimedia applications as IP telephony, IP television, and IP video conferencing lead to an increasing traffic demand in the network Therefore, an effective use of available resources (transit bandwidth) by the traditional IP routing suite becomes critical Open Shortest Path First (OSPF) is the most commonly used intra-domain routing protocol It routes the traffic flows along the shortest paths within the network topology graph The weights of the network graph can be modified by the network operator By optimizing the setting of these weights, we can significantly improve the load of the links while using available resources and without changing the protocols themselves However, this is a complex problem (NP-hard), that can not be solved by a method of exact resolution For this type of optimization problem, the local search approach is thus an appropriate solution approach In this research, we developed a program capable of solving the link weights optimizing problem using a local search algorithm We have proposed new heuristics for this local search approach The performances of our solution are compared with the tabu search solution of TOTEM (TOolbox for Traffic Engineering Methods) Another critical aspect of the transit service provided by OSPF is its recovery time in the case of failures Local recovery mechanisms (IP Fast Reroute) have been recently introduced to provide such a fast recovery These techniques provide local detours around the failing components, and hence change the utilization of the network resources upon their activation Thus, in our work, we evaluated the impact of the various weight optimization solutions on the network resource usage upon the activation of the protection mechanism Two Fast Reroute mechanisms were considered : Loop Free Alternates and MPLS Fast Reroute An interesting aspect of LFAs is that they are only applicable under some conditions on the network graph and the setting of the link metrics Hence, we also studied the impact of the Weight Optimization solutions on the applicability of this technique Liste des figures Figure 1: Recherche Locale : Optima Locaux et Solution Optimale 17 Figure 2: Architecture de COMET 23 Figure 3: Multiple des chemins les plus courts 28 Figure : Les opérations de MPLS Fast ReRoute 30 Figure : Exemple de la protection de LFA : Cas normal 31 Figure : Exemple de la protection de LFA : Lien B→D tombe en panne 31 Figure : Exemple de LFA par lien 32 Figure : Exemple de LFA par préfixe 33 Figure : Cas normal : pas de panne de S D 33 Figure 10 : LFA vs MPLS Fast Reroute 34 Figure 11 : ECMP avec chemins les plus courts 35 Figure 12 : composants clés du cadre d'ingénierie de trafic 36 Figure 13 : Configuration initiale 37 Figure 14 : Modification locale de lien encombré 38 Figure 15 : Optimisation globale de la charge de liens 39 Figure 16 : Image de l’utilisation du réseau 41 Figure 17 : Calcul de la KMS 47 Figure 18 : Calul de totalDemand - Option 49 Figure 19 : Calcul de totalDemand - Option 50 Figure 20 : Interface d'IGEN 57 Figure 21 : Interface de TOTEM 58 Liste des tableaux Tableau 1: classes des LSA heuristiques 19 Tableau : Approches Méta-heuristiques 21 Tableau : Algorithme de mesure du trafic 45 Tableau 4: Algorithme de LSA4IGPWO 56 Tableau : Algorithme : LSA4IGPWO et IGPWO de TOTEM 62 Tableau : Données de tests 63 Tableau : Minimisation de MaxUtilization 63 Tableau : Impacts sur la couverture de LFA 64 Chapitre : Introduction Problématique Actuellement, avec l'expansion de l'Internet, les FAI (Fournisseurs d'Accès Internet) essaient de répondre au problème de l'augmentation de la demande de trafic de leurs clients En effet, les demandes de trafic sont approximativement doublées chaque année [COF 01] Les FAI doivent donc s'adapter ces besoins par l'invention de nouvelles technologies ou par une utilisation efficace des ressources disponibles fournies par les techniques de routage classiques OSPF (Open Shortest Path First) et IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) sont deux des protocoles de routage les plus utilisés pour fournir la connectivité de bout en bout dans un ensemble de dispositifs d'un réseau (organisation, compagnie, campus, université, ) Nous pouvons les classer parmi les protocoles IGP (Interior Gateway Protocols) Un critère important d'évaluation de ces protocoles est leur temps de convergence La convergence de routage peut être définie par l’adaptation des tables de routage des routeurs du réseau lors d’un changement de la topologie du réseau, typiquement déclenché par deux types d’événements : - Soudain : coupures de fibres, ruptures d'alimentation - Prévisible : mise jour du logiciel et du matériel, enlèvement ou installation d'un lien ou d'un noeud (routeur) dans le réseau Pour réduire ce temps de convergence, des techniques de reroutage local ont été introduites pour faire face aux pannes soudaines de liens Elles permettent aux services dans les réseaux IP commerciaux d'être restaurés sans échange de messages de contrôle entre les noeuds qui détectent la panne et les autres noeuds du réseau Dans cette recherche, nous nous intéressons deux techniques de protection de lien : LFA (Loop-Free Alternates) et MPLS (Multi-Protocol Label Switching) Fast Reroute Un problème considérable est le problème de l'optimisation de l’utilisation de la capacité du réseau pour répondre aux demandes actuelles (la somme de demandes de trafic qui doivent être envoyées entre chaque paire de noeuds) Motivation Une approche de TE qui est souvent utilisée, et basée sur les protocoles comme OSPF et IS-IS est de trouver une bonne configuration de poids des liens d'une topologie en fonction des demandes du trafic Pour OSPF, le flux de trafic est routé le long des plus courts chemins Il découpe le flux de trafic aux noeuds où les liens sortants sont sur plusieurs plus courts chemins vers la destination Les poids des liens dépendent souvent des distances physiques entre les noeuds Cependant, le but principal est d'éviter la congestion du réseau (par exemple : la surcharge de liens) La performance et l'utilisation efficace des ressources du réseau peuvent être améliorées sans modifier les protocoles de routage C'est l’optimisation de poids des liens IGP (IGP Weights Optimization – IGPWO) pour une topologie fixée du réseau et un ensemble donné de demandes de trafic (le trafic que nous avons besoin d'envoyer d’un routeur source son routeur destination) Ce problème d'optimisation est NP-difficile [FRT 02] Nous choisissons donc un algorithme heuristique de recherche locale pour le résoudre L'approche de la recherche locale est très efficace pour résoudre les problèmes NP-difficile ou NP-complet surtout pour ceux ayant un espace de recherche avec une taille de voisinage très grande, alors que l’on doit faire face une explosion combinatoire si on utilise les méthodes de résolution exactes Les grands avantages d’algorithmes de recherche locale (LSA) sont [YVE 07] : • Utilisation d'un petit espace de mémoire • Parcours de l'espace de recherche d'une façon intelligente, recherche des régions différentes de l'espace de recherche • Production d'une solution optimale ou acceptable avec un temps de calcul raisonnable Dans notre problème IGPWO, chaque solution est une attribution de valeur chaque lien, avec un nombre de noeuds (routeurs) de 10 1000 et une valeur de poids du lien de 65535 (MAXINT) Donc, nous avons une taille énorme de 3.2.1 Chosir aléatoirement un noeud k ayant au moins chemins de coût différent de k v et le lien (s,t) appartient au plus court chemin de k v (path 1) 3.2.2 Choisir parmi les seconds plus courts chemins de k v celui ayant la somme minimale d’utilisation de liens (path2) 3.2.3 Réduire le coût (distance) de path2 une somme delta = Dist(path2)Dist(path1) (la fonction Dist(p) retourne le coût du chemin p) 3.3 Choisir un lien sur path ayant la valeur de poids plus grande que delta et la réduire Nous avons défini une probabilité pour choisir ces classes de voisines : Pr[classe 1] = 0.9 et Pr[classe 2] = 0.1 (9 fois augmenter – réduire) Si la KMS de v est vide, nous choisiront un noeud v’ ayant la deuxième plus grande valeur de totalDemand[v’] et application de l’étape 3.1 pour v’ est le lien (s,t) mais cette fois, nous choisirons une valeur aléatoire dans KMS de v’ pour augmenter le poids du lien (s,t) 2.2.4 Diversification et critères d’arrêt Pour chaque lien (s,t) visité (modification de poids) chaque itération de recherche, nous appliquons la technique de la recherche taboue pour l’isoler (ne le visiter plus) dans les itérations suivantes Chaque fois que nous trouvons une amélioration de la solution courante basée sur la fonction d’objectif (minimiser la valeur de MaxUtilization et maximiser la couverture de LFA), nous la stockons La valeur de MaxUtilization est calculée par application de l’algorithme de Mesure du trafic que nous avons abordé dans la section précédente Nous utilisons alternativement les trois solutions initiales dans la section 2.1 comme le point de départ pour la recherche Dans notre programme, nous utilisons le temps d’exécution et le nombre d’itérations comme les critères d’arrêt Le temps d’exécution maximale de notre programme pour un test est de 10 minutes 53 2.3 Description algorithmique procedure LSA4IGPWO(G,TD) Entrée : une topologie du réseau G=(N, IGP[N,N], BW[N,N]), la matrice de demandes de trafic TD[N,N] Sortie : La matrice optimale IGP*[N,N] // tabu[i] = pour tous les lien (i) Au début, pas de lien visité tabu := ; IGP* := IGP ; // Mesure du trafic avec la configuration courante IGP // et pas de panne de lien Utilization[m,4] := Load[APSPandLoadCompute(G,TD, null) ; (MaxUtilization, MaxLFACoverage): =getState(Utilization[m,4],IGP) ; //Commence de la recherche nom_it := ; // nombre d’itérations tab_length := ; // isoler un lien dans itérations while (not Teminate) //ne pas dépasser le temps d’exécution nom_it++ ; // Choisir le lien ayant maximale valeur de ф SelectMax (a in [1 m] : tabu[a][...]... 2.1 Le choix de COMET Le but de notre travail est de résoudre le problème de convergence dans les protocoles de routage IP par un algorithme de recherche locale Et nous avons choisi COMET pour installer notre LSA pour les raisons suivantes : • COMET est un langage de programmation orienté objet avec un nombre de modélisations innovatrices et d’abstractions de contrôle pour la recherche locale Il est... heuristiques et méta-heuristiques dans la résolution des problèmes complexes surtout ceux d’optimisation • Étude du langage de programmation par contraintes Comet et conception de quelques algorithmes de recherche locale sur Comet pour pratiquer et améliorer les techniques de programmation sur Comet • Exposition devant le groupe de recherche des connaissances acquises Dans le deuxième mois : • Étude des problèmes... Belgique et en France, les cours de réseau, de Comet, 14 Chapitre 2 : Recherche Locale et Comet Dans ce chapitre, nous donnons une vue générale de la recherche locale, les algorithmes heuristiques et méta-heuristiques préférés dans la programmation par contraintes Pour la deuxième partie, nous présentons le langage de programmation COMET, un langage fort pour la modélisation et l’implémentation des algorithmes... recherche locale • Un langage de recherche riche pour la recherche locale • Séparation entre Modèle et Recherche • Extensibilité et Flexibilité de son architecture pour les deux composants Modèle et Recherche • Efficacité : le langage de modélisation est riche et la conception d’objets différentiables le rendent souvent comparable en efficacité aux réalisations de bas niveau, surtout pour les applications... Comet, résolution des problèmes d’évaluation du trafic dans le réseau et de techniques de protection de liens : o Installation de l’algorithme d’APSP sur Comet o Installation de 2 techniques de protection de liens : LFA et MPLS Fast Reroute sur Comet o Mesure de la charge de chaque lien du réseau dans 4 cas • Expérimentation et test du programme pour ces premiers problèmes Dans le quatrième mois : • Recherche. .. bibliographique : étude des articles d’ingénierie de trafic dans le domaine de réseau surtout ceux IGPWO • Réunion avec les promoteurs pour fixer le premier LSA pour résoudre le problème IGPWO • Implémentation de LSA sur Comet : Essayer, appliquer et modifier les heuristiques, les méta-heuristiques et leurs paramètres pour déterminer une bonne configuration de LSA sur Comet • Étude de la performance de chaque... IGEN des données suivantes : Une topologie de réseau (nombre de routeurs), une matrice IGP_metric (poids des liens), une matrice de capacités de liens (bande passante), une matrice de demandes de trafic du réseau • Test du programme par des données générées par IGEN et les données réelles du réseau d’Abilenne • Comparaison de la performance et de la qualité de la résolution entre notre programme de LSA... principal DD : est le temps pour redistribuer les modifications à la FIB vers les cartes qui effectuent le transfert des paquets en hardware 2 Les techniques de protection de liens Dans cette section, nous allons présenter deux techniques principales (MPLS Fast Reroute et Loop-Free Alternates) de protection de liens dans lorsqu’il existe des échecs et la technique de transmission d’équilibrage de charge... entier dans l’intervalle [1 65535] (≤ 216-1) et est stocké dans la base de données de l’état de liens Sur base de l’ensemble des chemins les plus courts, chaque routeur peut décider quel lien doit être utilisé pour transmettre des paquets vers un routeur ou un point de sortie donné S’il existe plusieurs chemins de poids égaux vers la destination, le routeur peut décider de distribuer la charge de trafic. .. des algorithmes de recherche locale 1 Recherche locale 1.1 Méthodes de résolution heuristiques La recherche locale est une des méthodes de résolution heuristiques Au contraire des méthodes de résolution exactes, les méthodes heuristiques peuvent réduire l’aspect combinatoire d’un problème afin de le résoudre en un temps acceptable Ce sont des approches incomplètes dans le sens où elles n’explorent