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Méthodes de contrôle distribué du placement de
LSP de secours pour la protection des
communications unicast et multicast dans un
réseau MPLS Soutenance de thèse de Mohand
Yazid SAIDI Directeur Bernard
COUSIN Co-directeur Jean-Louis LE ROUX
2
Contexte

• Explosion du nombre dapplications temps réel
• Sensibles aux ruptures des connexions
• Gourmandes en bande passante
• Besoin de lingénierie de trafic
• Protection RFC 4090
• Optimisation des ressources (particulièrement la
  bande passante)

3
Protection

• Résistance aux pannes
• Calcul de chemins de secours
• Récupération après une panne
• Comment assurer une récupération rapide ?
• Précalcul et de préférence préconfiguration des
  chemins de secours
• ? Protection proactive
• Réaction rapide à la panne
• ? Protection locale

4
Protection proactive locale

• Deux types de chemins de secours locaux

B
B
A
C
A
C
LSP1
LSP1
PLR
PLR
b1
b2
E
E
F
F
D
D
I
H
I
H
G
G
(2) Chemin de secours NNHOP
(1) Chemin de secours NHOP
Protection contre la panne du prochain lien
Protection contre les pannes des prochains lien
et nœud
5
Optimisation de la bande passante

• Routage efficace
• Choix des chemins optimisant la bande passante
• Partage de la bande passante entre les chemins
• Hypothèse de pannes simples des composants
  physiques

6
Concept de partage de la bande passante

• Hypothèse pannes simples
• Les chemins de secours actifs protègent toujours
  contre la même panne
• Concurrence pour les allocations de la bande
  passante diminuée

LSP1
B
A
C
Serveurs distribués
b1
b1
F
E
D
b2
b2
Serveur centralisé
H
I
G
LSP2
bw(D-gtE) Max (bw(b1), bw(b2))
7
Objectif

• Définir des mécanismes de placement des chemins
  de secours (unicast et multicast)
• Distribués
• En ligne
• Efficaces
• Pas dinondation du réseau
• Partage de la bande passante
• Augmentation de lutilisation de la bande
  passante
• Pas de violation des contraintes de la bande
  passante
• Faciles à déployer
• Pas de modification conséquente des protocoles
  existants

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Environnement

• MPLS (MultiProtocol Label Switching)
• Cest quoi MPLS ?
• Ensemble de spécifications améliorant le routage
• Acheminement des paquets par commutation
  détiquettes
• Etablissement de chemins appelés LSP (Label
  Switched Path)
• Pourquoi MPLS ?
• Fournir les mécanismes de lingénierie du trafic
• Routes explicites
• Implantation de la protection
• Répandu dans les réseaux actuels (QoS, VPN, etc.)

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Plan

• Contexte, objectif et environnement
• Problème de placement des LSP de secours
• Principe
• Risques de pannes
• Allocations et contraintes de la bande passante
• Heuristique de placement de LSP de secours basée
  sur les PLR (PLRH)
• Exploitation des structures des SRLG pour
  améliorer le placement des LSP de secours
  (ESSAPL)
• Bilan et perspectives

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Principe du placement des LSP de secours

• Calcul des LSP de secours
• Optimisation
• Toute métrique (délai, gigue, etc.)
• Condition
• A tout moment, la bande passante cumulée des LSP
  actifs qui traversent un lien unidirectionnel est
  inférieure ou égale à la capacité du lien
• LSP actifs LSP primaires LSP de secours
  protégeant contre le composant en panne
• ? Caractérisation des pannes

11
Risques de pannes
B
B
B
A
C
A
C
LSP0.1
b1
b0
F
E
F
E
D
D
b2
LSP3
b3
LSP2
OXC
H
H
I
I
G
G
(a) Topologie physique
(b) Topologie logique (MPLS)

• Trois types de risques de pannes
• Nœud
• Lien
• SRLG (Shared Risk Link Group)

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Prix de protection

• LSP actif
• Prix de protection ?r? du risque r sur larc ?
• Où BPaths est lensemble des LSP de secoursRs
  est lensemble des risques de pannebw (b) est la
  bande passante réclamée par le LSP de secours b

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Bande passante de protection et modes
dallocation de la bande passante de protection

• Bande passante minimale G? dédiée à la protection
• Deux modes dallocation de la bande passante

F?
F?
Allocation de bande passante primaire
PC?
C ?
Allocation de bande passante de secours
BC ?
G ?
G ?
Pool commun
Deux pools séparés
Où F? bande passante primaire
C? capacité
PC? capacité primaire BC?
capacité de protection
14
Contraintes de la bande passante

• Respect des contraintes de la bande passante
• Pool commun
• Deux pools séparés

(invariant)
(invariant)
15
Ensemble des risques de panne et respect des
contraintes de la bande passante

• PFRG dun LSP de secours b
• Larc ? assure la validité de linvariant après
  létablissement dun LSP de secours b ssi
• Pool Commun
• Deux pools séparés

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Information nécessaire à loptimisation et au
respect des contraintes de la bande passante
IGP-TE (et ses extensions)
RSVP-TE
C? F? BC?
Métrique_IGP? Métrique_IGP-TE?
bw (b)
?r?
Détermination efficace des prix de protection
PFRG (b)
Garantir le respect des contraintes de la bande
passante
Optimiser la métrique (IGPIGP-TE)
17
Bande passante de protection et respect des
contraintes de la bande passante

• Dans la littérature
• Algorithme de Kini et al.
• Diffusion de tous les prix de protection
• Inondation du réseau
• Taille dun état de lien très élevée
• Heuristique de Kini et al.
• Approximation de tous les prix de protection sur
  un lien par leur maximum
• Taux de blocage des requêtes de protection élevé

18
Contributions principales

• Algorithme de la distribution ciblée des prix de
  protection (TDRA)
• Segmentation et transmission réduite
• Heuristique de partage efficace et distribué de
  la bande passante (DBSH)
• Diffusion et agrégation des prix des SRLG

18
28 novembre 2008
Mohand Yazid SAIDI
19
Contributions principales (suite)

• Heuristique de placement des LSP de secours basée
  sur les PLR (PLRH)
• Diffusion et agrégation de tous les prix de
  protection
• Exploitation des structures des SRLG pour
  améliorer le placement des LSP de secours
  (ESSAPL)
• Réduction des allocations de la bande passante
• Flexibilité du choix des chemins
• Stratégies de partage de la bande passante et
  leur impact sur la protection point à multipoint
• Partage restreint et partage global de la bande
  passante

19
28 novembre 2008
Mohand Yazid SAIDI
20
Plan

• Contexte, objectif et environnement
• Placement distribué et en ligne des LSP de
  secours
• Heuristique de placement de LSP de secours basée
  sur les PLR (PLRH)
• Principes
• Algorithme
• Evaluation des performances
• Exploitation des structures des SRLG pour
  améliorer le placement des LSP de secours
  (ESSAPL)
• Bilan et perspectives

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Heuristique de placement de LSP de secours basée
sur les PLR (PLRH)

• Principes
• Calcul des LSP de secours effectué par les PLR
• Pas de communication PLR/BPCE
• Diffusion
• Vecteur (x?_vecteurs) de taille faible pour
  chaque arc ?
• x?_vecteurs x? couples
• Couple (prix de protection, identifiant du
  risque)
• Réduction du volume de linformation nécessaire
  au placement des LSP de secours
• Agrégation des prix de protection
• Approximation des prix de protection

BPCE entité de calcul de LSP de secours
22
Construction des vecteurs diffusésavec
lalgorithme PLRH

• Agrégation sans perte
• Eliminer les prix de protection des liens
  appartenant à des SRLG
• Eliminer les prix de protectioninférieurs au
  seuil de confianceSc? (Sc? CB? Max_bw)

CB? 100
Sc? 70
100
80
90
40
60
50
0
CB? 100
Max_bw
Sc? 70
100
80
60
40
90
50
0
23
Construction des vecteurs diffusés avec
lalgorithme PLRH (suite)

• Agrégation avec perte possible
• Limiter la taille du vecteur diffusé à x? couples
• Identifiant du risque du (x?)ème couple du
  vecteur diffusé vaut
•  Autres  si le (x? 1)ème prix de protection
  le plus élevé est supérieur au seuil de confiance
  Sc?
• Identifiant du risque correspondant au (x?)ème
  prix de protection le plus élevé, sinon

(100, nœud1) (90, srlg1) (80, lien1)
CB?
x? 3 (pas de perte)
Sc?
100
80
90
0
(100, nœud1) (90, autres)
x? 2 (avec perte)
24
Interprétation des vecteurs reçusavec
lalgorithme PLRH (suite)
CB?
(100, nœud1) (90, srlg1) (80, lien1)
Pas de rejet par erreur
90
100
80
0
0
0
0
CB?
(100, nœud1) (90, autres)
Risque de rejet par erreur
90
100
90
90
90
90
0
25
Détermination efficace des taillesdes vecteurs
diffusés avec PLRH

• Comment déterminer efficacement la taille (x?)
  des vecteurs diffusés par larc ? ?
• Protection locale
• Les chemins de secours sont proches des
  composants protégés
• x? dépend du voisinage immédiat de larc ?
• En pratique
• x? devrait être inférieur ou égal à 8

26
Evaluation des performances

• Comparaison de PLRH contre
• Algorithme de Kini et al. (FBA ou PLRH(?, 0))
• Heuristique de Kini et al. (HKA)
• Utilisation de différentes variantes de PLRH
• PLRH(?, 90), PLRH(2, 0), PLRH(5, 0) et PLRH(5,
  90)
• Matrice de trafic uniforme
• Quantité de bande passante uniformément
  distribuée entre 1 et 10 unités
• Sources et destinations des LSP primaires
  choisies aléatoirement

27
Evaluation des performances (suite)

• Différentes topologies de réseau
• Connectivités (3.2 vs.3.48), densités des SRLG
  (0.49 vs. 0.28) et tailles différentes
• Capacités des liens séparées en deux pools
  disjoints
• Pools primaires suffisants
• Pools de secours de capacités limitées (100
  unités sur les liens fins et 300 unités sur les
  liens en gras)

Topologie de taille moyenne(95 risques)
Topologie de grande taille(162 risques)
28
Résultats des simulations

• Taux de rejet de LSP de secours

HKA
HKA
Topologie de taille moyenne(95 risques)
Topologie de grande taille(162 risques)
29
Résultats des simulations (suite 1)

• Nombre moyen de vecteurs diffusés par LSP établi

HKA
HKA
Topologie de taille moyenne(95 risques)
Topologie de grande taille(162 risques)
30
Résultats des simulations (suite 2)

• Taux dutilisation de la bande passante de
  protection

HKA
HKA
Topologie de taille moyenne(95 risques)
Topologie de grande taille(162 risques)
31
Implantation de PLRH

• Légères extensions des protocoles IGP-TE
• Transporter les vecteurs x?_vecteurs
• Indiquer les capacités de secours
• ? Étendre les états des liens de lIGP-TE

32
Avantages et inconvénient de PLRH

• Avantages
• Symétrique
• Partage la charge de calcul sur tous les nœuds
  PLR
• Pas de communication BPCE/PLR
• Facile à déployer
• Tailles des vecteurs et seuils de confiance
  adaptables, à tout instant, à la matrice de
  trafic et à la topologie du réseau
• Inconvénient
• Valeurs optimales (x?, Sc?) dépendantes de la
  topologie du réseau et de la matrice de trafic

33
Plan

• Contexte, objectif et environnement
• Placement distribué et en ligne des LSP de
  secours
• Heuristique de placement de LSP de secours basée
  sur les PLR (PLRH)
• Exploitation des structures des SRLG pour
  améliorer le placement des LSP de secours
  (ESSAPL)
• Différence entre un LSP actif et un LSP
  opérationnel
• Exploitation des structures des SRLG pour réduire
  les allocations de la bande passante
• Exploitation des structures des SRLG pour mieux
  exploiter la topologie du réseau
• Bilan et perspectives

34
Différence entre un LSP actif et un LSP
opérationnel

• Après la panne du SRLG
• b1A et b1B sont actifs mais seul b1A est
  opérationnel
• Un LSP de secours b activé après la panne dun
  SRLG g est opérationnel ssi il nexiste aucun LSP
  de secours b tel que
• b protège un même LSP primaire que celui protégé
  par b
• b est actif après la panne du SRLG g
• Le segment primaire reliant les nœuds dextrémité
  de b contient le nœud source du LSP b

SRLG
B
C
A
p1
E
D
b1B
b1A
b1B
b1A
G
H
F
35
Diminuer les allocations de la bande passante
avec ESSAPL

• Seuls les LSP de secours opérationnels consomment
  de la bande passante
• Notre algorithme dallocation de la bande
  passante ESSAPL na besoin de tenir compte que
  des LSP opérationnels Car seuls eux peuvent
  rentrer en concurrence
• Prix de protection réduits (? )r?
• Où

36
Exemple de diminution des allocations de la bande
passante

• Avec une approche classique
• ?gB-gtC ?gC-gtE ?gE-gtH ?gH-gtG ?gG-gtD bw
  (p1)
• Avec lalgorithme ESSAPL
• (? ')gB-gtC (? ')gC-gtE (? ')gE-gtH (?
  ')gH-gtG (? ') gG-gtD 0

SRLG
B
A
C
p1
g
E
D
b1A
b1B
G
F
H
37
Mieux exploiter la topologie du réseauavec ESSAPL

• LSP de secours utile pour la récupération
• LSP opérationnel
• Réduire lensemble des risques de panne
  protégés par un LSP de secours
• RPFRG (Really Protection Failure Risk Group)
• Seuls les risques appartenant à RPFRG (b) doivent
  être contournés par le LSP de secours b

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Exemple daugmentation de la flexibilité dans le
choix des chemins

• Avec une approche classique
• b1B doit contourner les liens (A-B, B-D) car
  PFRG (b1B) B-D, g
• ? aucun LSP
• Avec lalgorithme ESSAPL
• b1B ne doit contourner que le lien protégé B-D
  car RPFRG (b1B) B-D
• ? b1B B-gtA-gtF-gtG-gtD

SRLG
B
A
p1
g
b1B
D
b1A
G
F
39
Evaluation des performances

• Comparaison de ESSAPL contre
• Algorithme TDRA (Saidi et al.)
• Heuristique de Kini et al.
• Même environnement de simulation que pour PLRH
• Trois métriques
• Gain (classique, ESSAPL)
• Bande passante normalisée des SRLG
• Nombre moyen de messages transmis dans le réseau
  par LSP de secours établi

Rejet (classique) - Rejet (ESSAPL)
Rejet (classique)
?(?,r) \ r est un SRLG ?r?
?(?,r) \ r est un lien ?r?
40
Gain relatif dans le rejet des LSP de secours
TauxRejet ? 20
TauxRejet ? 20
Topologie de taille moyenne (95 risques)
Topologie de grande taille (162 risques)
Rejet (classique) - Rejet (ESSAPL)
Gain
Rejet (classique)
40
41
Bande passante normalisée des SRLG
Topologie de taille moyenne (95 risques)
Topologie de grande taille (162 risques)
?(?,r) \ r est un SRLG ?r?

• Bande passante normalisée des SRLG

?(?,r) \ r est un lien ?r?
42
Nombre moyen de messages transmis par LSP
Topologie de taille moyenne (95 risques)
Topologie de grande taille (162 risques)
43
Implantation de lalgorithme ESSAPL

• Environnement centralisé
• Aucune extension
• Environnement distribué
• Envoyer les extrémités des LSP de secours aux
  nœuds primaires en aval
• ? Réduire les allocations de la bande passante
• Imposer un ordre de calcul des LSP de secours
• LSP de secours dont le PLR est plus proche du
  nœud primaire source dabord
• ? Mieux exploiter la topologie du réseau

44
Plan

• Contexte, objectif et environnement
• Placement distribué et en ligne des LSP de
  secours
• Heuristique de placement de LSP de secours basée
  sur les PLR (PLRH)
• Exploitation des structures des SRLG pour
  améliorer le placement des LSP de secours
  (ESSAPL)
• Bilan et perspectives
• Bilan de la thèse
• Perspectives

45
Bilan
Unicast
Proposition Utilisation Idées
Algorithme TDRA Réseaux larges avec un nombre réduit de SRLG Segmenter linformation permettant le placement des LSP de secours Cibler les nœuds recevant linformation permettant le calcul des LSP de secours
Heuristique DBSH Réseaux avec un nombre élevé de SRLG Agréger les prix de protection des SRLG Diffuser les prix de protection des SRLG dans des vecteurs
Heuristique PLRH Tout réseau, particulièrement les réseaux interdomaines Symétrie Agréger les prix de protection Diffuser les prix de protection des risques dans des vecteurs
Algorithme ESSAPL Réseau avec SRLG Réduire la concurrence pour les allocations de la bande passante aux LSP opérationnels Réduire lensemble des risques de pannes protégés par un LSP de secours
46
Bilan (suite)
Multicast

• Adaptation des mécanismes de placement des LSP de
  secours unicast à la protection des communication
  point-à-multipoints
• Extensions pour la prise en compte du partage de
  la bande passante entre les LSP de secours et les
  LSP primaires
• Etude de limpact du choix des stratégies de
  partage de la bande passante sur les performances
  des mécanismes de placement des LSP de secours
• Choix dune métrique statique

47
Perspectives unicast
Unicast

• Choix optimal des tailles (x?) des vecteurs
  diffusés avec PLRH et DBSH
• Prise en compte des niveaux de priorité
• Exploitation des structures des SRLG lors de la
  conception des réseaux

48
Perspectives multicast
Multicast

• Utilisation dune métrique dynamique pour le
  placement des LSP de secours
• Agrégation avec perte de la bande passante des
  tunnels de secours point à multipoint
• Protection des LSP primaires multipoint-à-multipoi
  nt

48
28 novembre 2008
Mohand Yazid SAIDI
49
Perspectives à long terme

• Protection interdomaine

49
28 novembre 2008
Mohand Yazid SAIDI
50
Fin
Merci
de votre attention
51
Publications

• Publiés
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin and Jean-Louis
  Le Roux. Distributed PLR-Based Backup Path
  Computation in MPLS Networks, IFIP Networking,
  Singapore, May 2008.
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin and Jean-Louis
  Le Roux. Targeted Distribution of Resource
  Allocation for Backup LSP Computation. Seventh
  European Dependable Computing Conference
  (EDCC-7), Kaunas (Lithuania), May 2008.
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin and Jean-Louis
  Le Roux. A Distributed Bandwidth Sharing
  Heuristic for Backup LSP Computation. IEEE Global
  Telecommunications Conference (GlobeCom 2007),
  Washington, November 2007.
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin and Miklos
  Molnar. Protection remontante des communications
  multicast. MajecSTIC 2006, Lorient, novembre
  2006.
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin, Miklos
  Molnar. An Improved Dual-Forest for Multicast
  Protection. 2nd Conference on Next Generation
  Internet Design and Engineering Conference,
  Valence (Espagne), April 2006.
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin and Miklos
  Molnar. An Efficient Multicast Protection Scheme
  based on a Dual-Forest. Rapport de recherche
  Irisa n1786, mars 2006.

52
Rapports remis à France Telecom

• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin and Miklos
  Molnar. Etat de l'art sur le placement des LSP de
  secours unicast sous MPLS. Rapport scientifique
  (R1) du projet "Méthode de contrôle distribué du
  placement de LSP de secours" entre l'université
  de Rennes 1 et France Télécom, novembre 2006.
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin. Evaluation
  par simulation des performances des mécanismes de
  placement des LSP de secours unicast. Rapport
  scientifique (R2R3) du projet "Méthode de
  contrôle distribué du placement de LSP de
  secours" entre l'université de Rennes 1 et France
  Télécom, juin 2007.
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin. Etat de l'art
  sur le placement des LSP de secours multicast
  sous MPLS. Rapport scientifique (R4) du projet
  "Méthode de contrôle distribué du placement de
  LSP de secours" entre l'université de Rennes 1 et
  France Télécom, septembre 2007.
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin. Evaluation
  par simulation des performances des mécanismes de
  placement des LSP de secours multicast. Rapport
  scientifique (R5) du projet "Méthode de contrôle
  distribué du placement de LSP de secours" entre
  l'université de Rennes 1 et France Télécom, juin
  2008.

53
Publications (suite)

• Soumis
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin and Jean-Louis
  Le Roux. Exploiting SRLG Structures for Efficient
  Backup Path Computation. À soummetre à IFIP 2009.
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin and Jean-Louis
  Le Roux. PLR-based Backup Path Computation in
  MPLS Network, Computer Networks (Elsevier
  journal), en cours de révision.
• Mohand Yazid Saidi, Bernard Cousin and Jean-Louis
  Le Roux. Using Shared Risk Link Group Structures
  for an Efficient Protection, Computer Networks
  (Elsevier journal), en cours de révision.

54
Bilan

• Unicast
• Différents algorithme et heuristiques de
  placement des LSP de secours
• Amélioration du placement des LSP de secours par
  l'exploitation des structures des SRLG
• Multicast
• Adaptation des mécanismes de placement unicast au
  multicast
• Impact du choix des stratégies de partage sur les
  performances des mécanismes de placement des LSP
  de secours