Allocation de ressources pour réseaux virtuels Projet de fin d études. Mikaël Capelle. Marie-José Huguet Slim Abdellatif Pascal Berthou

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1 Allocation de ressources pour réseaux virtuels Projet de fin d études Mikaël Capelle Marie-José Huguet Slim Abdellatif Pascal Berthou 27 Juin 2014

2 Plan 1 Introduction - La virtualisation de réseau Conclusion & Perspectives 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 2/33

3 La virtualisation de réseaux Figure : Hiérarchie simplifiée de la virtualisation de réseaux 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 3/33

4 La virtualisation de réseaux, 1/3 Figure : Une première requête de virtualisation Figure : Une architecture physique (Réseau physique) Figure : Une seconde requête de virtualisation 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 4/33

5 La virtualisation de réseaux, 2/3 Allocation de la première requête de virtualisation : Figure : Allocation des routeurs Figure : Allocation des liens 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 5/33

6 La virtualisation de réseaux, 3/3 Allocation de la seconde requête de virtualisation : Figure : Allocation des routeurs Figure : Allocation des liens 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 6/33

7 Plan Définition du problème Caractéristiques d une requête de virtualisation Gestion des requêtes et objectifs Exemple d allocation 1 Introduction - La virtualisation de réseau 2 Définition du problème Caractéristiques d une requête de virtualisation Gestion des requêtes et objectifs Exemple d allocation Conclusion & Perspectives 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 7/33

8 Définition du problème Caractéristiques d une requête de virtualisation Gestion des requêtes et objectifs Exemple d allocation Allocation de ressources pour liens virtuels - Définition du problème Données en entrée : 1 Une architecture physique 2 Un ensemble de requêtes de virtualisation : Un ensemble de requêtes de liens virtuels Théorème Les problèmes d allocation de ressources pour liens virtuels sont des problèmes NP-Complet (Preuve : Réduction vers un problème de Multi-Commodity Flow). - Lischka et Karl 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 8/33

9 Définition du problème Caractéristiques d une requête de virtualisation Gestion des requêtes et objectifs Exemple d allocation Allocation de ressources pour liens virtuels - Les requête de virtualisation Un ensemble de liens virtuels (sessions) 1 Une demande en bande passante 2 Un délai acceptable 3 Une source et... Une destination, lien unicast point à point Plusieurs destinations, lien multicast point à multipoint 4 Un ratio de path-splitting acceptable Ratio > 50% 1 Lien unicast Un chemin physique 2 Lien multicast Un arbre «physique» Ratio 50% 1 Lien unicast Un ou plusieurs chemins physiques 2 Lien multicast Un ou plusieurs arbres ou chemins physiques 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 9/33

10 Définition du problème Caractéristiques d une requête de virtualisation Gestion des requêtes et objectifs Exemple d allocation Allocation de ressources - Gestion des requêtes et objectifs Contraintes : Charge des routeurs Les requêtes d allocation de liens virtuels seront placées sur le réseau physique avec prise en compte de la charge des routeurs liées à la commutation de paquets Taille de la table d acheminement. Gestion des requêtes Objectif Globale - Allocation de toutes les requêtes en une seule fois Séquentielle - Une requête après l autre Remise en cause des allocations précédentes? Maximisation des revenus Minimisation de l énergie (routeurs et liens allumés) Équilibre global du réseau (routeurs et liens) Maximisation du nombre de requêtes acceptées 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 10/33

11 Définition du problème Caractéristiques d une requête de virtualisation Gestion des requêtes et objectifs Exemple d allocation Allocation de ressources - Hypothèses Hypothèses Environnement dédié (en partie) à la virtualisation Pas de congestion au niveau des routeurs Lien full-duplex - Circulation des données dans les deux sens en même temps Charge des routeurs liées à la commutation Nombre de liens entrants 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 11/33

12 Allocation de ressources - Exemple schématique 1/2 Définition du problème Caractéristiques d une requête de virtualisation Gestion des requêtes et objectifs Exemple d allocation Requête 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 12/33

13 Allocation de ressources - Exemple schématique 2/2 Définition du problème Caractéristiques d une requête de virtualisation Gestion des requêtes et objectifs Exemple d allocation Requête 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 13/33

14 Plan Données et variables Contraintes Fonctions objectives Résume schématique 1 Introduction - La virtualisation de réseau 2 3 Données et variables Contraintes Fonctions objectives Résume schématique 4 5 Conclusion & Perspectives 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 14/33

15 Données et variables Contraintes Fonctions objectives Résume schématique - Données Le réseau physique 1 Les routeurs : V, V = N : Ensemble des routeurs u i : Capacité du routeur i (en nombre d entrées) u i : Ressources consommées sur le routeur e 2 Les liens : E V V, E = M : Ensembles des liens c e : Capacité d un lien (en Mbps) c e : Ressources consommées sur le lien e d e : Délai de propagation du lien e Full-Duplex (i, j) E (j, i) E (i, j) E, c ij = c ji, d ij = d ji 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 15/33

16 Données et variables Contraintes Fonctions objectives Résume schématique - Données La requête 1 Un temps d arrivée 2 Une durée de vie 3 Un ensemble de lien virtuel K Un lien virtuel k 1 Une source s k V 2 Un ensemble de destinations T k V {s k } 3 Des contraintes de bande passante b k et b min k 4 Un délai acceptable d k 5 Une taille des paquets (en Mb) p k = PS ratio b k 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 16/33

17 Données et variables Contraintes Fonctions objectives Résume schématique - Variables 1 Flux / Bande passante consommée f k t (i, j) : Bande passante consommée par le lien virtuel k pour la destination t sur le lien (i, j) f k (i, j) = max t T k f k t (i, j) : Bande passante consommée par le lien virtuel k sur le lien (i, j) t T k, f k t (i, j) f k (i, j) 2 Délai, d k t (i) : Temps maximum nécessaire pour qu un paquet à direction de t atteigne un nœud i à partir de s k 3 Charge des routeurs, c k (i) : Nombre d entrées utilisées par le lien virtuel k dans la table des flots du routeur i 4 Autres variables «intermédiaires» gt k (i, j), g k (i, j) B : Indique la présence d un flux sur le lien (i, j) pour le lien virtuel k et la destination t f max = max e E k K f k (e), c max = max i V c k (i) k K 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 17/33

18 - Flux Données et variables Contraintes Fonctions objectives Résume schématique Conservation, k K, t T k, i V : (i,j) E (f k t (i, j) f k t (j, i)) = b k si i = s k b k si i = t 0 sinon (1) Liaison g f et b min k, k K, ( t T k ), e E : g(t) k (e) bmin k f(t) k k (e) et f(t) (e) b k g(t) k (e) (2) Respect de la capacité des liens, (i, j) E : f k (i, j) c ij c ij (3) k K 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 18/33

19 Données et variables Contraintes Fonctions objectives Résume schématique - Délai et charge des routeurs Source et destinations, k K, t T k : d k t (s k ) = 0 et d k t (t) d k (4) Propagation, k K, t T k, (i, j) E : d k t (i) + p k bk min } {{ } Délai d émission +d ij (1 gt k (i, j)) Ψ } {{ } Inhibiteur pour ft k (i, j) = 0 Ψ très grand d k t (j) (5) Charge des routeurs, k K, i V : c k (i) = g k (j, i) (6) (j,i) E 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 19/33

20 Données et variables Contraintes Fonctions objectives Résume schématique - Fonctions objectives minimiser α 1 f max + α 2 1 E e E ( 1 c e ( c e + k K f k (e) )) (7) + β 1 c max + β 2 1 V i V ( 1 u i ( u i + k K c k (i) )) 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 20/33

21 Données et variables Contraintes Fonctions objectives Résume schématique - Résume schématique 1/2 Requête 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 21/33

22 Données et variables Contraintes Fonctions objectives Résume schématique - Résume schématique 2/2 } {{ } Lienvirtuel 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 22/33

23 Plan Le réseau GÉANT Les requêtes Les expérimentations Les résultats 1 Introduction - La virtualisation de réseau Le réseau GÉANT Les requêtes Les expérimentations Les résultats 5 Conclusion & Perspectives 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 23/33

24 Le réseau GÉANT Les requêtes Les expérimentations Les résultats Expérimentations - Le réseau GÉANT Figure : Le réseau GÉANT Source : DANTE, GéANT, Media Library : Maps 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 24/33

25 Le réseau GÉANT Les requêtes Les expérimentations Les résultats Expérimentations - Les requêtes Requêtes de type unicast Bande passante entre 7 Gbps et 12 Gbps Requêtes de type multicast Entre 4 et 6 liens virtuels Entre 4 et 6 destinations par lien virtuel Bande passante entre 200 Mbps et 3 Gbps Un lien virtuel ne peut pas être alloué Refus de la requête Délai acceptable entre 50 et 80 ms Durée de vie moyenne de 1000 unités de temps selon une loi exponentielle 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 25/33

26 Le réseau GÉANT Les requêtes Les expérimentations Les résultats Expérimentations - Les expérimentations Durée de simulation fixée à unités de temps Régime stationnaire du système Arrivée des requêtes selon une loi de poisson de paramètre λ Variation du taux d arrivée λ de 4 à 10 requêtes toutes les 100 unités de temps (pas de 0.01) Utilisation ou non du path-splitting Le solveur CPLEX Utilisation du solveur CPLEX (IBM/ILOG) avec les paramètres suivants : 1 Temps de calcul limité à 15 secondes 2 Écart à l objectif acceptable de 5% 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 26/33

27 Expérimentations - Les métriques utilisées Le réseau GÉANT Les requêtes Les expérimentations Les résultats Le taux d acceptation des requêtes Pourcentage de requêtes acceptées par le modèle sur l ensemble de la simulation. Le revenu Somme des revenus des requêtes allouées sur l ensemble de la simulation Revenu(R) = Durée(R) f (b k, T k ) k K Le taux d utilisation des liens du réseau Moyenne du taux d utilisation de chaque lien du réseau (Ressource consommée / ressource disponible) à la fin de la simulation. 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 27/33

28 Le réseau GÉANT Les requêtes Les expérimentations Les résultats Résultats - Comparaison avec des heuristiques Taux d acceptation des requêtes 100 % 95 % 90 % 85 % 80 % 75 % 70 % 65 % 60 % Modèle PLNE PCC, Coût = g(c e, c e ) PCC, Coût = f (c e ) PCC, Coût = Taux d arrivée des requêtes (a) Requêtes de type unicast Taux d acceptation des requêtes 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % Modèle PLNE PCC, Coût = g(c e, c e ) PCC, Coût = f (c e ) PCC, Coût = Taux d arrivée des requêtes (b) Requêtes de type multicast Figure : Comparaison de différents algorithmes d allocation 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 28/33

29 Résultats - Temps de calcul Le réseau GÉANT Les requêtes Les expérimentations Les résultats 20 Temps de calcul (secondes) Sans path-splitting Avec path-splitting Taux d arrivée des requêtes (a) Requêtes de type unicast Temps de calcul (secondes) Sans path-splitting Avec path-splitting Taux d arrivée des requêtes (b) Requêtes de type multicast Figure : Temps de calcul en fonction du taux d arrivée pour des requêtes de type unicast et multicast 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 29/33

30 Le réseau GÉANT Les requêtes Les expérimentations Les résultats Résultats - Analyses Taux d acceptation & Revenus Apport du path-splitting - De 3 à 5% pour les requêtes de type unicast, et de 2 à 3% pour les requêtes de type multicast Plusieurs centaines de téraoctets de différence. Saturation du réseau Taux d utilisation des liens 1 Taux moyen inférieur à 50% 2 Taux maximal supérieur à 95%, 60% des liens sont utilisés à plus de 50% de leurs capacités maximales Saturation des liens «centraux» et «critiques» 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 30/33

31 Conclusion Figure : Résultat graphique de l allocation de plusieurs liens virtuels sur le réseau GÉANT Proposition d une formulation mathématique pour le problème d allocation de ressources pour liens virtuels avec prise en compte de plusieurs contraintes. Expérimentations sur un réseau à topologie réelle «GÉANT» et caractérisation du modèle : Temps de calcul acceptables pour les applications visées Meilleurs résultats que des approches heuristiques classiques 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 31/33

32 Perspectives Figure : Résultat graphique de l allocation de plus de 1000 liens virtuels sur le réseau GÉANT Déploiement des résultats sur des cas pratiques. Meilleure caractérisation du modèle : Influence des paramètres non testés (α, β, etc.) Essais sur différentes topologies réseaux Utilisation d autres types de requêtes 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 32/33

33 Bibliographie 1 M. Melo et al. Optimal Virtual Network Embedding : Node-Link Formulation. Network and Service Management, IEEE Transactions on 10.4 (déc. 2013) 2 N.M.M.K. Chowdhury, M.R. Rahman et R. Boutaba. ViNEYard : Virtual Network Embedding Algorithms With Coordinated Node and Link Mapping. Networking, IEEE/ACM Transactions on 20.1 (fév. 2012) 3 Wu-Hsiao Hsu et al. Virtual Network Mapping through Path Splitting and Migration. Advanced Information Networking and Applications Workshops (WAINA), 26th International Conference on. Mar Minlan Yu et al. Rethinking Virtual Network Embedding : Substrate Support for Path Splitting and Migration. SIGCOMM Comput. Commun. Rev (mar. 2008) 27 Juin 2014 Mikaël Capelle Allocation de ressources pour réseaux virtuels 33/33