En vue de l'obtention du. Présentée et soutenue par Meva DODO Le 06 novembre 2008

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1 THÈSE En vue de l'obtenton du DOCTORAT DE L UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délvré par l'unversté Toulouse III - Paul Sabater Spécalté : Informatque Présentée et soutenue par Meva DODO Le 06 novembre 2008 Ttre : Etude de l'apport de la vsualsaton 3D nteractve pour l'admnstraton de systèmes complexes JURY Bernard PEROCHE : Professeur à l Unversté Claude Bernard Lyon 1, Rapporteur Pascal GUITTON : Professeur à l Unversté Bordeaux I, Rapporteur Jean Perre JESSEL : Professeur à l Unversté Paul Sabater, Drecteur de thèse Adolphe RATIARISON : Professeur à l Unversté de Tananarve, Codrecteur de thèse Patrce TORGUET : Maître de conférence, Encadrant Vctor MANANTSOA : Professeur à l Unversté de Fanarantsoa, Examnateur Ecole doctorale : Mathématques Informatque Télécommuncatons de Toulouse Unté de recherche : Insttut de Recherche en Informatque de Toulouse Drecteur(s) de Thèse : Jean Perre JESSEL, Adolphe RATIARISON

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3 Remercements Je ne sas pas quels mots chosr pour remercer ma famlle, en partculer mon père et ma mère qu ont supporté toutes les dffcultés durant les quatre années d études que j a suves en France. Leur encouragement et leur espor ont été mes plus grands soutens. Je remerce messeurs les professeurs Bernard PEROCHE et Pascal GUITTON pour l ntérêt qu ls ont portés sur ce traval. Les commentares pertnents et objectfs qu ls ont formulés m ont adé dans la mse en valeur de ce manuscrt. Je tens à exprmer partculèrement toutes ma grattude et ma reconnassance aux personnes suvantes, sans qu je ne pourras sans doute pas avor mené à terme cette thèse : Monseur le professeur René CAUBET, qu m a perms d effectuer mon stage de DEA dans ce qu état l équpe SIRV (Synthèse d Image et Réalté Vrtuelle) du laboratore IRIT. Il m a offert l opportunté de réalser cette thèse non seulement par ses consels judceux mas auss ses ades et ses encouragements répétés. Monseur le professeur Jean Perre JESSEL, mon drecteur de thèse, qu a accepté de drger mes travaux de recherche. Malgré les dffcultés que j a dû affronter dans la réalsaton de cette thèse, l a toujours montré une grande patence et m a accordé toute sa confance. Patrce TORGUET, mon encadrant, qu n a jamas ménagé ces efforts tant au nveau scentfque que lttérare. Tous les artcles publés tout au long de cette thèse sont les fruts des énormes travaux de correcton et de traducton qu l a offerts. Les consels nestmables qu l m a donnés sont les sources de la majorté des dées présentées dans les travaux de cette thèse. Je ne saura jamas comment exprmer mes remercements pour l amté et surtout la dsponblté qu l m a témognées. Je remerce également monseur le professeur Adolphe RATIARISON qu a codrgé cette thèse. Ses consels fructueux m ont perms d avancer dans la réalsaton de tous ces travaux. Je remerce auss vvement madame le professeur Mchelle SIBILLA, pour les consels enrchssants et les dscussons constructves qu elle a apportés tout au long de cette thèse. Je tens enfn à remercer toute l équpe VORTEX (Vsual Objects: from Realty To Expresson) pour sa sympathe, sa bonne humeur et sa gentllesse. Je n ouble pas auss tous mes collègues thésards Malagasy que j a côtoyés durant ces quatre dernères années. 1

4 Résumé Actuellement, le grand déft de la geston des systèmes complexes formés par des envronnements hétérogènes n est plus le manque d nformaton sur les ressources à gérer mas les moyens qu permettent d analyser et d exploter effcacement ces nformatons. Le traval effectué au cours de cette thèse s nscrt donc dans le cadre de la recherche de nouvelles méthodes qu permettent d amélorer la compréhenson de la structure des systèmes complexes et d analyser les dfférents événements générés par les ressources. Les réseaux nformatques sont des exemples de systèmes complexes dont la talle, la performance des dspostfs et leurs hétérogénétés sont les prncpaux obstacles de leur admnstraton. Afn d apporter des solutons à ces problèmes, nous étudons les apports des technques de la vsualsaton 3D nteractve pour l admnstraton de ces systèmes. Nous avons étudé, dans un premer temps, les dfférentes technques et méthodes de vsualsaton de réseaux nformatques à travers dvers outls qu sont classés selon les avancés technologques et leurs domanes d applcaton. La premère catégore de ces outls utlse la représentaton 2D, la deuxème catégore est basée sur la représentaton 3D des systèmes complexes. Enfn, la dernère catégore d outls d admnstraton de réseaux utlse des mondes 3D comme nterface utlsateur pour la vsualsaton des systèmes complexes. La complexté des réseaux nformatques ne vent pas seulement de la quantté de données générées par les ressources mas surtout de la structure topologque de ces ressources. Par conséquent, l est mportant d offrr des moyens qu permettent d analyser en détal la structure de tels systèmes. Dans ce sens, nous avons proposé des technques de représentaton 3D qu permettent de vsualser tout type de structure d un système complexe. Notre approche est matéralsée par un nouvel algorthme d affchage 3D de larges graphes qu permet de dstrbuer effcacement les éléments d un système complexe et leurs relatons. Notre algorthme est basé sur une nouvelle approche d optmsaton de l algorthme force-attracton-répulson afn meux de dstrbuer les nœuds d un graphe dans un espace 3D, et nous l avons assocé à des méthodes d optmsaton afn d amélorer sa performance. La deuxème approche que nous avons proposée est d assocer à la représentaton 3D du graphe des mondes 3D qu facltent l analyse et l exploraton de la structure du système à étuder. Les métaphores que nous avons proposées permettent de mettre en évdence toutes les nformatons nécessares à l analyse de chaque événement et de comprendre faclement toutes ses caractérstques telle que l objet source, la proprété de l objet modfée et le moment précs de son occurrence. Enfn, nous avons proposé des moyens qu permettent aux utlsateurs de chosr unquement les nformatons qu les ntéressent selon leurs besons. 2

5 Abstract Nowadays, the man ssue of complex systems management formed by heterogeneous envronments s not the lack of nformaton about resources to manage but the ways to analyze and to effectvely use ths nformaton. The am of ths thess s to study new methods whch allow to mprove the understandng of complex systems structure and to analyze the varous events generated by ts resources. Computer networks are examples of complex systems among whch the sze, the performance of devces and ther heterogenety are the man problems of ther admnstraton. To brng solutons to these problems, ths work nvestgates the effectveness of three-dmensonal vsualzaton technques for complex system managements. Varous technques and vsualzaton methods are frstly ntroduced through a presentaton of some of the computer networks admnstraton tools. The frst category of these tools are based on 2D vsualzaton technques, the second s based on 3D technques and the last category of network computng vsualzaton tools uses 3D worlds as a graphcal user nterface. The huge amount of data generated by network devces and partcularly ther topologcal structure s the major barrer for these systems understandng. Therefore, we thnk that proposng ways whch ease the analyss the structure of complex systems wll really mprove the montorng and management tasks. Our approach conssts n assocatng 3D graphs representng the complex system structures wth 3D worlds n order to facltate the analyss and the exploraton tasks. A new algorthm for drawng, n 3D, large graphs s proposed n order to optmze the layout of a complex structure. Our method s based on the optmzaton of the force-drected placement algorthm (FDP) that allows effectvely and aesthetcally dsplayng large graphs. Our second approach s to propose metaphors that allow to easly understand the dfferent events generated by devces. Ths approach s based on the three attrbutes that defne an event: what, when, where, and t s assocated wth flterng technques that choose nterestng events accordng to the management needs. 3

6 Table des matères REMERCIEMENTS... 1 RESUME... 2 ABSTRACT... 3 TABLE DES MATIERES... 4 INTRODUCTION... 7 CHAPITRE 1 : ETAT DE L ART LA VISUALISATION DE DONNEES LES OUTILS DE VISUALISATION 2D La représentaton orentée géographe La représentaton orentée topologe L utlsaton de matrces dans la vsualsaton de réseaux Conclusons LES TECHNIQUES DE VISUALISATION 3D Les outls de vsualsaton 3D Les problèmes de la vsualsaton 3D CONCLUSIONS ET CRITIQUES CHAPITRE 2 : LES FACTEURS D UNE BONNE VISUALISATION DE SYSTEMES COMPLEXES LES FACTEURS DE LA REPRESENTATION Le chox de métaphore La dsposton spatale Les relatons entre les données Les technques de transformaton de vues LES FACTEURS D EXPLORATION L hstorque de parcours TABLEAU RECAPITULATIF CONCLUSION DU CHAPITRE CHAPITRE 3 : LES ALGORITHMES DE GRAPHE BASES SUR DES MODELES PHYSIQUES LE GRAPHE LES ALGORITHMES BASES SUR DES MODELES PHYSIQUES Les algorthmes de recut smulé Les algorthmes force-attracton-répulson Les méthodes d optmsaton de l algorthme FDP CONCLUSION DU CHAPITRE

7 CHAPITRE 4 : NOUVEL ALGORITHME DE VISUALISATION 3D DE LARGES GRAPHES NOUVEL ALGORITHME D AFFICHAGE DE GRAPHE Optmsaton de l espace d affchage Forces d attracton et de répulson Mnmsaton de l énerge totale Résultats expérmentaux EVALUATION DE LA PERFORMANCE DE L ALGORITHME CONCLUSION DU CHAPITRE CHAPITRE 5 : ENVIRONNEMENT DE VISUALISATION 3D ENVIRONNEMENT DE DEVELOPPEMENT L nfrastructure CAMELEON NAVIGATION DANS LA SCENE 3D FILTRAGE DES EVENEMENTS VISUALISATION 3D DES EVENEMENTS PORTABILITE DE L APPLICATION CONCLUSION DU CHAPITRE PERSPECTIVES REFERENCES

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9 Introducton Introducton En nformatque, comme dans d autres domanes, l admnstraton de réseaux est un servce qu met en œuvre dvers outls, applcatons et dspostfs afn d assster un agent human dans la supervson et la mantenance de réseaux. Ben que l admnstraton de réseaux peut être rédute à un smple outl de supervson de réseaux utlsant un protocole d analyse, l peut s agr auss d un ensemble de bases de données dstrbuées, d une plateforme de geston de données (gérant l accès, la localsaton et la modélsaton des données) et des outls permettant de vsualser graphquement en temps réel les événements affectant la topologe d un réseau ans que les flux de données. Ans, l admnstraton de réseaux peut être défne selon les types d actvtés à effectuer mas l objectf prncpal est de fournr aux utlsateurs un servce de haute qualté à savor la sécurté des données, l accès aux ressources et la performance des dspostfs. Hstorquement, les années 80 [Becker, 1995] ont vu l expanson fulgurante des réseaux nformatques mas le terme geston des réseaux a été créé ben avant, vers le début du 20ème sècle, quand la socété AT&T amélorat son réseau téléphonque afn d offrr un melleur servce aux usagers. Ans le terme "geston de réseaux" a été défn comme un ensemble de décsons pour la mse en place de nouveaux commutateurs ou l optmsaton des commutateurs déjà exstants. En effet, l est dffcle de parler de réseaux nformatques sans parler de réseaux téléphonques car l s agt de deux domanes nterdépendants dans le sens où l un utlse les servces offerts par l autre et vce versa. Les progrès effectués dans le domane des télécommuncatons ont eu beaucoup d mpacts dans l améloraton de la qualté de réseaux nformatques. Et nversement, l évoluton technologque tant au nveau logcel et matérel a contrbué à la mse en place de réseaux téléphonques encore plus performants. TACHES COUVERTES PAR L ADMINISTRATION DE RESEAUX Actuellement le terme geston de réseaux est consdéré comme une parte ntégrante de la geston de réseaux nformatques mas la défnton de ce terme garde toujours son sens du domane duquel l provent : la geston de réseaux téléphonques. Selon ISO (Internatonal Standard Organsaton), la geston de réseaux nformatques regroupe cnq domanes dstncts : la geston de performance, la geston de confguraton, la geston de comptes, la geston de panne et la geston de la sécurté. Nous allons vor en détals les dfférentes actvtés à effectuer dans chaque domane. Il est cependant facle de constater que l évoluton 7

10 Introducton rapde des technologes de l nformaton a provoqué l augmentaton de la complexté des topologes de réseau et des volumes de données, ce qu a rendu encore plus dffcles les tâches de geston et de supervson de réseaux. La geston de performance L objectf prncpal de la geston de performance est de mesurer et de mantenr un nveau de performance acceptable pour un réseau. Des enttés de geston sont mses en œuvre pour supervser en permanence les paramètres de performance. Une alerte est alors générée et envoyée au système de geston dès qu un seul de performance est attent. En général, le processus de geston de performance s effectue en tros étapes. L admnstrateur défnt les paramètres de performance et les données relatves sont collectées par des enttés de geston. Ensute les données sont analysées pour détermner le seul de performance acceptable. A la fn, des seuls de performance sont détermnés pour chaque paramètre et des alertes sont envoyées pour ndquer des problèmes mportants sur le réseau dès que les seuls sont attents. L admnstrateur peut défnr pluseurs paramètres de performance, par exemple le temps de réponse des dspostfs, la mesure de bande passante d une lgne ou le temps d occupaton d un dspostf. De nombreux outls de smulaton ont été développés pour amélorer la performance d un réseau. Ces outls sont très mportants car ls permettent de réalser des tests et dagnostcs sur un réseau fctf. Ils permettent d étuder pluseurs types de confguraton de topologe pour amélorer un réseau déjà exstant. Nous allons entrer en détals sur l utlté de ces outls dans la parte état de l art de cette thèse. La geston de confguraton A chaque dspostf réseau sont assocés pluseurs types d nformaton, de même pour les logcels et applcatons utlsés. Il est alors nécessare de stocker ces nformatons dans une base de données pour faclter la mantenance au cas où un problème survendrat. A ttre d exemple, on peut avor un problème d ncompatblté de verson des logcels nstallés sur un dspostf lors d une mse à jour. La geston de confguraton est alors nécessare pour antcper et résoudre d éventuels types de problèmes lés aux ncompatbltés et aux versons de logcels afn qu l n exste aucun mpact sur le bon fonctonnement du réseau. 8

11 Introducton La geston de comptes L objectf de la geston de comptes est de mesurer les paramètres d utlsaton des ressources d un réseau afn qu ls soent utlsés à bon escent. Il s agt de permettre aux utlsateurs d exploter les dspostfs réseaux selon leurs drots et de bénéfcer ans d un servce de bonne qualté. Des paramètres d utlsaton des ressources sont défns ntalement par l admnstrateur et des mesures sont effectuées et analysées pour attrbuer des quotas à chaque utlsateur ou groupe d utlsateurs. Un exemple de paramètre est la capacté de stockage sur un serveur attrbué à chaque utlsateur. On peut auss dstrbuer le temps d occupaton d un serveur de calcul, etc. Cependant les quotas attrbués aux utlsateurs peuvent être auss modfés selon les besons. La geston de panne La geston de panne est au cœur de l admnstraton de réseaux car les tâches à effectuer dans ce domane sont prmordales. En effet, les objectfs prncpaux de la geston de panne sont de détecter, de classer, de notfer les admnstrateurs et de résoudre les éventuels problèmes de panne du réseau. Ces sont des tâches très mportantes car le bon fonctonnement d un réseau en dépend. Et c est la rason pour laquelle la geston de panne est prse en charge par tous les éléments de geston de réseaux. Le processus de geston de panne s effectue en tros étapes : détermner le problème, ensute le résoudre et enfn le répertorer avec la ou les soluton(s) trouvée(s) pour fare face à sa prochane occurrence. La geston de la sécurté L objectf de la geston de la sécurté est double : premèrement, contrôler l accès aux ressources d un réseau pour évter tout type de sabotage et d ntruson (ntentonnelle ou non ntentonnelle). Et deuxèmement, protéger les nformatons sensbles contre tous accès par des personnes non autorsées (nternes ou externes au réseau). La geston de la sécurté s effectue en affectant des drots d accès aux ressources pour chaque utlsateur, machne ou réseau. Par défaut, un utlsateur externe au réseau ne peut accéder à aucune ressource mas les utlsateurs nternes auss ont des accès restrents selon leurs domanes et leurs fonctons. 9

12 Introducton Cette thèse n a pas pour objectf de se focalser sur un domane de geston partculer mas d étuder l apport de nouveaux moyens pour faclter les tâches de geston. En effet, vu la complexté de l admnstraton d un réseau, nous pensons qu l est mportant de proposer de nouvelles génératons d outls permettant aux admnstrateurs d effectuer effcacement leurs tâches. Quel que sot le type d outl utlsé dans la geston de réseaux, qu l sot smple ou sophstqué, sa concepton dot répondre aux deux problématques qu sont l accès aux données et leurs explotatons. Cette thèse se focalse sur la deuxème catégore du problème de geston de réseaux car la dffculté actuelle résde plus en la présentaton et l nterprétaton des données qu en leur localsaton. LA VISUALISATION DE RESEAUX L admnstraton de réseaux est un domane qu a vu de multples varétés d outls. En général, des lgnes de commande sont lancées à partr d une console pour effectuer les dfférentes tâches de geston. L effcacté de ces outls est lmtée selon la talle du réseau et sa complexté. En effet, plus un réseau est complexe, plus les nformatons générées par les dfférentes commandes sont mportantes, ce qu rend dffcle l nterprétaton des dfférents ndcateurs, en partculer lorsqu l s agt de gérer des données dynamques. En fat, le plus grand déf dans la supervson est le temps de réacton pour comprendre le phénomène modfant le comportement du système à gérer avant qu l ne détérore le fonctonnement des ressources. Afn de faclter alors la compréhenson d un système complexe, une nouvelle approche basée sur la vsualsaton a été ntrodute, vers le mleu des années 90, qu offre des représentatons graphques permettant d explorer vsuellement les données. Par nature, l est plus facle d extrare des connassances à partr de ce qu on vot, ce qu consttue l effcacté de la représentaton graphque [Mazza, 2004] par rapport à l affchage textuel. En représentant graphquement les éléments par leurs formes réelles et les relatons entre eux par des lens, l devent plus facle de comprendre la structure d un système à étuder. La plupart des outls de vsualsaton de réseaux sont donc basés sur le paradgme nœud-len par sa smplcté et sa faclté de compréhenson [Eck, 1995]. En général, la vsualsaton d un réseau nformatque consste en une représentaton 2D assocée à un protocole de geston de réseaux pour collecter les données. Mas sute aux problèmes rencontrés dans la représentaton 2D, à savor la confuson et saturaton au nveau de l affchage, les technologes 3D sont proposées pour offrr des représentatons plus proches de la réalté avec une esthétque plus ntéressante, donc 10

13 Introducton plus facle à comprendre. Malgré les apports de la trosème dmenson, la quantté de données générées par les dspostfs de plus en plus performants reste toujours un obstacle majeur dans la vsualsaton des systèmes complexes. Les mondes 3D (ou envronnement 3D) sont alors une opton pour résoudre ces problèmes. Le concept consste à proposer une nterface 3D qu reprodut auss fdèlement que possble l envronnement de geston réel afn de permettre à l utlsateur d nteragr faclement avec les données, ce qu faclte largement la compréhenson du système à étuder. Cependant, malgré les apports prometteurs proposés par les technologes 3D, on constate toujours actuellement que la majorté des outls de geston de réseaux sont encore basés sur la représentaton 2D. Des études s mposent alors sur les rasons de ce contraste car des efforts mportants ont été nvests dans la proposton d outls consdérés comme modernes pour fare face aux lmtes tangbles de la représentaton 2D. En effet, on a tendance à dre que les outls proposés avec les technologes 3D restent toujours au stade d expérmentaton ou lmtés seulement à des utlsatons restrentes. NOS CONTRIBUTIONS Dans l objectf d amélorer encore plus la compréhenson des systèmes qu sont devenus de plus en plus complexes, les technques de la vsualsaton 3D sont actuellement les plus explotées et consdérées comme les melleurs solutons car elles permettrent d offrr des représentatons plus réalstes et plus esthétques donc plus facles à comprendre. On constate cependant que les outls basés sur ces technques n arrvent pas toujours à résoudre effcacement les problèmes de la vsualsaton des systèmes complexes. En effet, représenter graphquement un système réel sur un dspostf rédut relève d une prouesse technque [Rafe, 2005]. Le prncpal obstacle à prendre en compte est la mse en évdence des relatons entre les dfférents éléments nécessares à l étude de la structure du système à étuder. Le deuxème obstacle est d ordre matérel car malgré les efforts effectués dans l améloraton de la performance des outls utlsés, la génératon et l affchage en 3D des systèmes complexes restent un grand chalenge. C est la rason pour laquelle la plupart des nsttutons utlsent toujours des outls de vsualsaton 2D dans la geston de leur système. Actuellement, des nterfaces sous forme de monde 3D sont assocées avec les représentatons 3D dans l objectf d accroître encore plus la connassance du système à étuder. Ben qu elles proposent un autre concept d analyse d un système réel, ces technques rendent souvent la 11

14 Introducton compréhenson de la structure d un système complexe encore plus dffcle. Cec est toujours dû au manque de la représentaton des relatons entre les dfférents éléments. Nous proposons dans cette thèse une nouvelle approche de vsualsaton de large système. Notre approche consste à assocer des représentatons par graphe 3D avec des mondes 3D afn de faclter la compréhenson de la structure d un système complexe et l analyse des événements générés par les ressources gérées. Nous proposons donc un nouvel algorthme de vsualsaton 3D qu permet d offrr la vue globale du système à étuder mas qu permet auss de comprendre en détal sa structure selon les besons de l utlsateur. Notre algorthme est basé sur une nouvelle méthode d optmsaton de l espace d affchage afn d offrr des représentatons plus effcaces du graphe de la structure de systèmes complexes. Une nouvelle méthode de dstrbuton des nœuds de larges graphes dans un espace à tros dmensons est proposée afn d offrr une melleure esthétque de l affchage qu faclte l analyse de la structure du système à étuder. Cette méthode est mplémentée par un nouvel algorthme basé sur le modèle physque (Force-Drected Placement) que nous avons proposé pour l affchage 3D de large graphe. Afn d amélorer la performance de notre algorthme nous avons utlsé des méthodes d optmsaton qu utlsent le gradent conjugué de Fletcher-Reeves. Nous assocons à la représentaton 3D de la structure du système à étuder des mondes 3D afn de faclter la navgaton dans cette structure. Dans cet envronnement, nous proposons des représentatons 3D pour mettre en évdence et faclter l analyse de tous les événements générés par les ressources. Notre objectf est de permettre aux admnstrateurs de comprendre rapdement chaque événement généré par les ressources. Notre approche consste donc à mettre en évdence les tros caractérstques d un événement tel que l objet source, la ou les proprété(s) modfée(s) et le moment précs de son occurrence. Notre dernère approche de vsualsaton consste à proposer des moyens qu permettent aux utlsateurs de s ntéresser unquement aux événements correspondant à leurs besons. En effet, l est mpossble d analyser en temps réel tous les événements générés par les ressources surtout quand le système devent assez complexe. 12

15 Introducton PLAN DE LA THESE Dans le premer chaptre, nous étudons les dfférents outls de vsualsaton de réseaux nformatques. Ces outls sont classés selon les avancées technologques et les technques de représentaton utlsées. En effet, les dfférentes avancées technologques, d une part, sont les facteurs prncpaux de développement des outls nécessares à l admnstraton de réseaux car la complexté qu se tradut par l mportant volume de données et la performance des matérels qu génèrent ces données nécesste une nouvelle génératon d outls. D autre part, grâce aux évolutons technologques, notamment les possbltés graphques et les nouveaux outls d nteracton homme-machne, l devent possble actuellement de proposer des moyens facltant les tâches d admnstraton d un système complexe. Le deuxème chaptre est consacré aux études des facteurs essentels pour une bonne vsualsaton d un système complexe tel qu un réseau nformatque. Les dfférents outls de vsualsaton présentés dans le premer chaptre sont donc évalués selon ces facteurs et des tableaux récaptulatfs sont proposés. Nous présentons au trosème chaptre les ntérêts du graphe dans la vsualsaton de données. Ce chaptre étude les deux prncpaux algorthmes de graphe basés sur le modèle physque ans que leurs dfférentes méthodes d optmsaton. Notre premère proposton est présentée au quatrème chaptre pour développer un outl de vsualsaton effcace d un système complexe. Nous décrvons une méthode d optmsaton de l algorthme force attracton répulson (FDP) afn de proposer un outl robuste permettant d offrr une représentaton effcace d un large système. Nous proposons au cnquème et derner chaptre les méthodes de vsualsaton et d exploraton de la structure d un système complexe et un nouveau paradgme de vsualsaton basé sur l événement. Nous assocons à la représentaton de la structure du système à étuder des mondes 3D afn d amélorer encore plus la connassance de ce système. Nous proposons auss des moyens qu permettent de spécfer unquement les événements ntéressants pour la geston selon les besons de l utlsateur. Des représentatons 3D d un événement sont proposées en se basant sur les tros axes qu défnssent l objet source, la ou les proprété(s) modfée(s) et le moment exact de son occurrence. 13

16 Introducton Nous présentons dans la dernère parte de cette thèse les ensegnements que nous pouvons trer des dfférentes expérmentatons et nous termnons par des conclusons et les perspectves de travaux à venr. 14

17 Etat de l art Chaptre 1 : Etat de l art Nous allons étuder successvement dans ce chaptre les dfférentes technques utlsées dans la vsualsaton de réseaux nformatques. Nous proposons, dans la premère secton, quelques défntons nécessares à la compréhenson de la vsualsaton de données. La deuxème secton est consacrée aux dfférents outls qu utlsent la représentaton 2D. Les prncpes sont détallés et nous termnons par l étude de leurs lmtes. Ensute la trosème secton étude les apports de la représentaton 3D dans la vsualsaton d un système complexe. Nous étudons auss dans cette secton les avantages de l utlsaton des mondes 3D dans la supervson de réseaux nformatques. Nous proposons à la fn de ce chaptre les leçons qu on peut trer de ces études avant de proposer les facteurs essentels pour une bonne vsualsaton d un réseau. Etant un sous-ensemble de la vsualsaton de données, la vsualsaton de réseaux nformatques fat face aux problèmes majeurs tels que l analyse et l nterprétaton de données. En effet, au début, le premer obstacle à la vsualsaton état le manque d nformatons sur le système à étuder car l état encore très dffcle d accéder aux données générées par les dfférentes ressources à gérer [Le Grand, 2001], et même s l est possble d accéder aux données de geston, le temps de réponse des dspostfs état encore un réel obstacle. Ce qu empêche alors d effectuer des analyses approfondes en temps réel des événements affectant les états des ressources du système à gérer. Ce problème prend sa source au nveau de la performance des dspostfs car on constate qu au cours de l évoluton technologque le problème change totalement de côté, et depus quelques années le premer problème de la vsualsaton consste à trouver des technques permettant de représenter effcacement les données pour faclter leurs analyses. L admnstraton de réseaux nformatque est un domane où la complexté des tâches à effectuer dépend totalement de l évoluton technologque. En effet, s l état facle auparavant de gérer manuellement un réseau de quelques dzanes de mcro-ordnateurs l devent actuellement de plus en plus dffcle d effectuer les dfférentes tâches de geston à cause de l abondance de données à analyser. L admnstraton de réseaux dffère auss des autres domanes de la vsualsaton de données car les données à analyser dans les dfférentes tâches sont des données dynamques, donc la varaton dans le temps des données a un sens très sgnfcatf dans l étude du comportement du système à gérer. 15

18 Etat de l art En général le processus de supervson de réseaux se résume en tros étapes : la localsaton et la collecte des données, l analyse et la prse de décson. Dans cette thèse nous nous focalsons sur la deuxème étape car l exste déjà de nombreux travaux effectués sur la collecte des données. Hstorquement, la collecte et l analyse des données de geston s effectuaent avec un seul moyen auquel on a toujours recours dans des moments crtques. Il s agt d un termnal de lancement de commande qu permet d envoyer des requêtes aux dfférents agents de geston pour récupérer les nformatons qu ntéressent le ou les responsables. Les nformatons relatves aux requêtes sont alors affchées lgne par lgne sur le termnal sous forme textuelle. Pour quelques ressources à gérer l peut être encore facle d analyser des nformatons affchées sur un termnal, mas cela devent très dffcle vore mpratcable lorsqu l s agt de gérer un réseau composé de centanes ou de mllers de dspostfs. Vers le mleu des années 90, une nouvelle génératon d outls de geston est née dont le prncpe de base consste à représenter graphquement les dfférents dspostfs et les relatons entre eux. Le succès de cette technque vent du fat qu l est plus facle d extrare des nformatons à partr d une représentaton vsuelle. 1.1 La vsualsaton de données Le terme vsualsaton est souvent utlsé pour fare référence aux deux prncpales actvtés d analyse et de compréhenson de phénomènes, de données ou d événements telles que la représentaton et l exploraton graphque d nformatons. Le mot graphe a un sens très mportant dans la vsualsaton car, par rapport à l affchage textuel, l permet de comprendre faclement certans aspects des données, par exemple la possblté de trouver le chemn le plus court pour jondre un endrot dans une carte géographque ou l arbre généalogque d une personne. Par conséquent, s l est ben construt, un graphe permet d accélérer l analyse d un phénomène et d accroître ans la connassance de ce phénomène. Représenter graphquement une donnée consste alors à trouver des technques qu permettent d affcher toutes ses caractérstques afn de faclter la compréhenson de sa structure et les dées qu elle véhcule [Rober, 2000]. L exploraton occupe auss une place mportante dans la vsualsaton car elle permet d étuder en détals la structure et les proprétés des données. En effet, l est plus facle de comprendre un système ou un phénomène lorsqu on peut connaître les relatons hérarchques des éléments qu le composent. L exploraton fat donc apparaître la caractérstque dynamque de la vsualsaton car, contrarement à la représentaton smple de données, elle nécesste la manpulaton de l affchage pour fare apparaître certans détals de 16

19 Etat de l art la représentaton. En d autres termes, la vsualsaton de données dot mettre en œuvre des outls et des technques qu permettent d nteragr avec les données pour affcher les détals nécessares à la compréhenson du système ou du phénomène à étuder. Depus l apparton de l ordnateur, la vsualsaton a connu pluseurs défntons relatves aux technologes correspondantes. Par exemple, [Card, 1999] défnt la vsualsaton comme l utlsaton de l ordnateur pour offrr des représentatons nteractves des données afn d accroître la connassance, «the use of computer-supported, nteractve, vsual representatons of data to amplfy cognton». Actuellement, les défntons proposées pour la vsualsaton de données font toutes référence à l utlsaton des outls nformatques pour faclter l analyse et la compréhenson du système ou du phénomène à étuder. Autrement dt, la vsualsaton est une actvté qu consste à représenter une mage mentale d un phénomène réel ou d un système donné. Elle est alors totalement ndépendante des outls nformatques car ls sont juste utlsés en tant que moyens permettant de faclter les processus de compréhenson. Ans, [Ruddle, 2002] défnt la vsualsaton de données comme une actvté cogntve, facltée par des représentatons graphques externes à partr desquelles un ndvdu construt une représentaton mentale nterne du monde. Toutes ces défntons correspondent exactement avec la présence permanente de l nformatque dans notre ve actuelle, mas le premer acteur dans la vsualsaton reste toujours l homme qu essae de créer des mages mentales d une nformaton. Keth Andrews [Andrews, 2002] résume des ouvrages et des artcles sur les prncpes et les ntérêts de la vsualsaton d nformaton. 1.2 Les outls de vsualsaton 2D L évoluton technologque a été la source de tous les progrès effectués dans le domane de la vsualsaton. La premère topologe du réseau "ARPANET NETWORK 1 ", le réseau qu on peut consdérer comme l ancêtre de l Internet, a été dessnée manuellement (en décembre 1969) sur un smple paper car le réseau n état consttué que de quatre nœuds (Fgure 1.1). Au début des années 80 la talle des réseaux ne cesse d augmenter, le réseau BITNET par exemple attent déjà 1054 stes avec 2987 noeuds. Ben qu l ne fût pas encore possble de vsualser drectement sur mcro-ordnateur la topologe de réseaux, l outl nformatque a été déjà utlsé pour étuder la structure d un système. Ans, la structure du réseau BITNET a été mprmée sur des papers où fgurent tous les stes et les connexons entre eux. Le schéma 1 Arpanet Network: 17

20 Etat de l art obtenu ne permettat pas encore d effectuer les tâches d admnstraton au sens propre du terme, d alleurs ce n état pas encore l objectf, mas permet déjà d avor une dée de la structure du réseau grâce aux dfférents lens entre les nœuds. Avec l apparton des PCs par IBM en 1981, le nombre d ordnateurs personnels connectés à l Internet n a cessé d augmenter pour attendre plus de 2000 vers la fn de l année En même temps de plus en plus de réseaux sont créés (VNCNET, NYSERNET, SURANET, SDSCNET BARRNET, etc.) 2 et leur nombre dépassat vers la fn de l année A partr de ce moment là l admnstraton de réseaux est devenue un enjeu majeur et le protocole de geston de réseaux SNMP 3 a été développé pour collecter les nformatons de geston. On peut remarquer que la plupart des représentatons graphques des réseaux nformatques étaent orentées géographques et produtes par des outls de cartographe comme Netmap. En effet, à ce moment là les besons étaent plutôt orentés vers l étude statstque des flux de données entre les dfférents stes à travers le monde. La deuxème rason est d ordre matérelle car l état encore très dffcle d accéder aux nformatons de geston générées par les dfférents nœuds, ce qu empêche de réalser des représentatons graphques de la topologe de réseaux. Fgure 1.1 : Premère topologe de réseau ARPANET 2 Hstorque de l Internet: 3 Smple Network Management Protocol 18

21 Etat de l art Fgure 1.2 : Topologe du réseau JANET 4 Les quelques représentatons graphques qu exstent étaent encore mprmées sur paper comme la topologe du réseau JANET des centres de recherche en nformatque Brtannques (Fgure 1.2). Les dfférents outls que nous allons présenter c-dessous seront étudés selon les technques de vsualsaton utlsées. Les méthodes de collecte de données sont d mportance secondare et seront ctées à ttre ndcatf seulement. Nous tenons auss à remarquer qu l est mpossble de cter dans ce mémore tous les outls d admnstraton de réseaux qu utlsent la représentaton 2D. Nous explquons à travers les dfférentes technques utlsées les avantages de la représentaton 2D dans la vsualsaton de réseaux La représentaton orentée géographe La plupart des outls de vsualsaton de réseaux de communcaton (téléphonque et nformatque) ont été ntalement basés sur la représentaton géographque des nœuds et des connexons entre eux. Cette représentaton s adapte ben à la vsualsaton de flux de données entre les dfférents stes d une régon donnée ou du monde enter car la structure du système à 4 JANET: Jont Academc NETwork 19

22 Etat de l art étuder est physquement réelle et géographquement dstrbuée. Il est donc plus facle de comprendre la représentaton graphque de tel type de structures car elles ont déjà une certane forme concrète qu permet d évter toute ambguïté de l affchage. Les nœuds sont représentés par des cercles ou rectangles tands que les flux de données sont représentés par des arcs ou segments de drote. Des nformatons textuelles sont affchées à côté de chaque nœud pour ndquer les nformatons nécessares à la supervson, par exemple le nom du ste correspondant, le nombre de paquets envoyés ou reçus... Le comportement dynamque du réseau peut être vsualsé par la varaton de talle ou le changement de couleur des lens, par exemple pour l augmentaton ou la dmnuton du volume de trafc. Les nformatons statques sont affchées textuellement à côté de chaque len, par exemple le débt de connexon entre deux nœuds. Le sens de transferts des données peut auss être représenté par un len orenté du nœud source vers le nœud destnatare. Les avantages de cette technque de représentaton sont : la localsaton facle de la poston géographque d un ste, l dentfcaton de son état (est-l en saturaton ou totalement hors usage) et le suv de la varaton de charge des lens pour connaître s l y a saturaton de capacté de la bande passante ou une sous-utlsaton. SeeNet Il fat parte des premers outls de vsualsaton de réseaux. SeeNet (See a Network) a été développé en 1995 pour la supervson du réseau de télécommuncaton de AT&T [Becker, 1995]. L objectf prncpal de cet outl est de faclter la supervson de réseaux à travers les flux de données afn de connaître à tout moment quelle lason est en état crtque sute à la saturaton par rapport à sa capacté. Un autre objectf de l outl est de connaître faclement l emplacement géographque de chaque nœud et son état (volume de données envoyées ou reçues) pour savor s l est en surcharge ou non. Pluseurs technques sont utlsées pour amélorer la vsualsaton afn de rédure la confuson dans la représentaton. La premère technque est l dentfcaton nteractve des nœuds et lens. Les nformatons textuelles (dentfant, coordonnées, paquets reçus ou envoyés) n apparassent qu à la demande de l utlsateur en clquant sur un nœud. Ans, la représentaton graphque est plus facle à nterpréter car l y a mons d nformatons affchées sur l écran. La talle et la couleur d un len varent auss dynamquement pour montrer l mportance des flux de données entre deux noeuds. Sur la fgure 1.3, la talle de chaque len correspond au volume de trafc entre deux stes et la couleur ndque le nveau d utlsaton de la lgne. 20

23 Etat de l art Le mécansme de zoom est auss proposé afn de focalser sur une régon partculère ou sur un nœud chos. L agrégaton des lens est utlsée pour amélorer l affchage. Le flux de données entrant et sortant d un nœud est représenté par un rectangle dont la largeur correspond à la quantté de récepton et la hauteur à la quantté d envo. En résumé, l s agt d un outl de vsualsaton nteractve de réseau car l utlsateur peut générer les dfférentes vues qu l ntéressent en confgurant les paramètres proposés. Fgure 1.3 : Vsualsaton de trafcs avec SeeNet. Mapnet Il s agt d un outl de vsualsaton de réseaux développé dans le cadre du projet CAIDA 5 pour la supervson du réseau Internet. L outl permet de vsualser graphquement la structure topologque d un réseau. Du pont de vue graphque, Mapnet [Huffaker, 2001] a une ressemblance avec SeeNet car l affchage est auss combné avec une cartographe qu montre la poston géographque des nœuds et les connexons entre eux. Par contre l est plutôt orenté vers la vsualsaton de la topologe de réseaux qu aux flux de données. Il a été développé 5 Cooperatve Assocaton for Internet Data Analyss 21

24 Etat de l art pour la vsualsaton de la structure topologque et géographque des épnes dorsales (backbones) à travers le monde enter (Fgure 1.4). Les nformatons sur les dfférents nœuds sont stockées dans une base de données et la vsualsaton est générée selon la poston géographque. L outl est accessble au publc et l applcaton peut être exécutée en lgne 6. C est un outl totalement nteractf car l utlsateur peut confgurer la navgaton et le type de réseau des backbones à vsualser. Aucune nformaton textuelle n apparaît sur l affchage, elle s obtent par le passage du ponteur de la sours sur un nœud ou sur un len. Ans, le nom du ste et sa poston géographque sont affchés dans une fenêtre quand on passe le ponteur sur le nœud correspondant. De même, lorsqu on passe le ponteur sur un len, l outl affche les noms des stes lés par ce len. Le mécansme de zoom est auss utlsé pour avor les détals de l affchage. Fgure 1.4 : Vsualsaton des backbones du réseau AT&T Traffc Flow Map C est un outl de vsualsaton de trafc de réseau de télécommuncaton et d Internet 7. Les représentatons sont plutôt smples mas très clares. Les dfférents stes sont représentés par leurs ntales placées dans un cercle dont la talle correspond au volume de trafc sortant Traffc Flow Map: 22

25 Etat de l art L épasseur d un len entre deux stes correspond au volume de trafc entre ces deux stes (Fgure 1.5). Pour amélorer l affchage afn d évter la confuson, l est possble de ne représenter que les lens qu véhculent les trafcs les plus mportants. Cec s effectue en paramétrant l affchage selon le volume de trafc de chaque len. Fgure 1.5 : Vsualsaton de trafcs par Traffc Flow Map La représentaton basée sur la cartographe est très utlsée dans la vsualsaton de trafcs (réseau Internet UUNET 8, Internet Map 9 ). Cette technque est très effcace pour étuder la performance d un réseau à travers ses flux de données. Elle permet de connaître mmédatement la poston géographque des dfférents stes. La varaton de la talle d une lgne et la manpulaton de couleur permettent de mettre en évdence la varaton dynamque de flux de donnée entre les stes. Cependant, on constate qu l est dffcle de comprendre la structure topologque d un réseau par la cartographe. En effet, les dfférents nœuds affchés ne représentent que des stes qu sont en général l agrégaton d un réseau enter. Ans, pour effectuer des études plus approfondes de la structure d un réseau, l est nécessare de représenter vsuellement sa topologe. 8 Telegeography:

26 Etat de l art La représentaton orentée topologe Pour un réseau composé de quelques dzanes de nœuds l est plus ou mons facle de générer une représentaton graphque satsfasante selon leurs postons géographques. Par contre l devent dffcle, vor mpratcable d utlser la représentaton géographque dans la vsualsaton d un réseau composé d une centane de nœuds. La représentaton de la topologe de réseaux sous forme de graphe est la méthode la plus utlsée dans la vsualsaton de réseaux [Bertn, 1981]. Les dspostfs et les applcatons peuvent être représentés par des formes abstrates (cube, cône, sphère, etc.) ou des formes complexes plus proches de la forme d un objet réel, tands que les lens entre les éléments graphques représentent les relatons hérarchques des ressources à gérer ou les flux de données. La représentaton graphque des éléments d un système et de leurs relatons a été nctée par la nécessté de dsposer des moyens permettant d effectuer faclement les dfférentes tâches de geston, en partculer la détecton de dysfonctonnement des dspostfs et leurs performances. Nous allons vor à travers les dfférents exemples les technques utlsées dans l affchage de la structure topologque de réseau et les dfférents domanes d utlsaton. Contrarement à la représentaton orentée géographe, la représentaton topologque nécesste des métaphores ben adaptées pour faclter la compréhenson du système à étuder. Ensute, la structure topologque du réseau peut être assez complexe suvant le nombre de nœuds et de lens, donc l effcacté de la technque de dsposton de nœuds est très mportante. Mas le plus grand avantage de la vsualsaton topologque d un réseau est qu elle permet, avec des méthodes de dsposton de nœuds ben adaptées, d explorer vsuellement un réseau et d dentfer faclement les dysfonctonnements du système grâce à l affchage graphque de chaque dspostf Outls d admnstraton de réseaux Nous désgnons les outls suvants comme outls d admnstraton de réseaux complets car ls permettent d effectuer presque toutes les tâches de geston de réseaux. Il ne s agt pas c de cter tous les outls actuellement utlsés dans la supervson de réseaux mas de montrer à travers ces quelques exemples les prncpes généraux et les méthodes graphques utlsées. 24

27 Etat de l art Otter L outl Otter [Huffaker, 1999] a été développé, toujours dans le cadre du projet CAIDA, pour la supervson de réseaux nformatques, en partculer le réseau Internet. Un des ponts forts de l outl est qu l permet de vsualser n mporte quel type de données structurées en nœuds et lens. Deux méthodes sont utlsées pour le placement de nœuds : le placement crculare et le placement basé sur les coordonnées géographques des nœuds dans le cas où leurs postons sont ntalement décrtes dans des fchers de données (Fgure 1.6). Les nœuds sont ntalement groupés en nœuds racnes et nœuds feulles. La premère phase consste à postonner les nœuds racnes, crcularement avec la méthode de placement crculare ou selon leurs coordonnées fournes dans des fchers de données. En fat, les coordonnées des nœuds varent selon le type de données à vsualser. Il se peut que les coordonnées soent relatves à leurs postons géographques (lattude/longtude) ou smplement des coordonnées cartésennes. Dans le cas des coordonnées géographques, elles sont transformées en coordonnées cartésennes pour pouvor être affchées sur l écran. Les nœuds feulles sont fnalement affchés crcularement autours des nœuds parents et selon la poston de ces derners. Pour amélorer la vsualsaton, l outl permet de confgurer manuellement l affchage afn de rédure les crosements des lens. On peut ans déplacer un nœud ou un groupe de nœuds pour amélorer l affchage. On peut auss centrer l affchage sur un nœud partculer. Le mécansme de zoom est auss mplémenté pour offrr les détals de représentaton. Otter utlse auss des couleurs pour mettre en évdence les caractérstques des nœuds et lens. Malgré la représentaton smplste des nœuds (rectangle avec ou sans couleur), Otter présente des caractérstques ntéressantes telles que l affchage pas à pas qu permet d analyser la structure topologque d un système selon les nveaux hérarchques de ses composants. On peut donc affcher pett à pett la topologe d un réseau en fasant apparaître peu à peu les nœuds depus les racnes jusqu aux feulles. Une autre caractérstque ntéressante de l outl est sa flexblté car l est assocé à des moyens qu permettent de formater tout type de données extrates avec des systèmes externes pour qu elles correspondent à son propre format. 25

28 Etat de l art Fgure 1.6 : Vsualsaton de réseaux avec Otter. GxSNMP C est un outl de supervson de réseaux sous lcence publque [Estrella, 1998]. Les nformatons de geston sont collectées avec le protocole de geston SNMP et stockées dans une base de données. Les dfférents dspostfs et leurs relatons sont représentés graphquement mas la plus grande dfférence de GxSNMP par rapport aux outls précédents est la représentaton des nœuds à l ade de formes complexes plus famlères. La structure topologque du réseau est plus facle à comprendre car les dspostfs sont représentés avec des formes plus proches de leurs formes réelles. Il est pourtant dffcle d évaluer la capacté de représentaton graphque de l outl lorsque le nombre de nœuds devent assez mportant. Les nformatons sur chaque nœud s obtennent par d autres nterfaces qu les affchent textuellement. Le pont fort de l outl est le côté geston des nœuds car l dspose d agents de geston qu récupèrent en permanence les nformatons de geston. Chaque nœud est dentfé par son nom affché en dessous du glyphe qu le représente (Fgure 1.7). 26

29 Etat de l art Fgure 1.7 : Affchage de topologe de réseau avec GxSNMP HP OpenVew C est un outl de geston de réseaux nformatques parm les plus connus et les plus utlsés car l est utlsé non seulement dans la supervson de réseaux nformatques mas auss dans la supervson de réseaux téléphonques. OpenVew 10 est un outl sous lcence commercale. La structure topologque des réseaux est représentée graphquement en 2D mas les vues sont plus rches en nformaton. En effet, chaque noeud est représenté par sa forme réelle et lbellé par son dentfant (nom ou adresse IP). La vsualsaton offre une grande souplesse dans la confguraton des dfférentes vues. On peut donc vsualser en détals la structure topologque d un réseau en confgurant les sous-réseaux ou les noeuds à gérer, exemple la fgure 1.8 montre la structure du sous-réseau Et comme la plupart des outls de supervson de réseaux, OpenVew utlse auss le protocole SNMP pour la collecte des données de geston. En termes de fonctonnaltés, OpenVew recouvre toutes les actvtés de supervson de réseaux et peut représenter graphquement plus de 1000 nœuds. 10 HP OpenVew: HP Open Vew Operatons 7.5 for wndows software 27

30 Etat de l art Fgure 1.8 : Affchage de topologe de réseau avec OpenVew NAM Il s agt d un outl de vsualsaton de réseaux basé sur l anmaton de paquet. L anmaton et la représentaton graphque sont générées à partr des fchers contenant la descrpton détallée des événements. NAM [Estrn, 2000] est utlsé dans le cadre du projet VINT pour la vsualsaton des données du smulateur de réseaux ns (network smulator), mas l permet auss de vsualser des données d un réseau réel. La vsualsaton est centrée surtout sur l anmaton de paquets afn de faclter l nterprétaton de chaque événement généré par les ressources du système à gérer. Tros méthodes sont utlsées dans l affchage de la structure topologque d un réseau : «automatc», «relatve» et «wreless». La premère méthode utlse l algorthme force-attracton-répulson (sprng embedded model) dans le placement des nœuds. La deuxème méthode s utlse pour la smulaton d un réseau relatvement smple avec une dzane de nœuds. Avec cette méthode, l utlsateur peut confgurer la dsposton de chaque nœud et la drecton de déplacement des paquets. Et la dernère méthode est utlsée dans la vsualsaton d un réseau dont les nœuds sont postonnés selon leurs cordonnées géographques. Chaque paquet qu se déplace d un nœud à un autre est représenté par un 28

31 Etat de l art rectangle dont la couleur permet d dentfer l événement. Une couleur rouge par exemple est utlsée pour dentfer un flux de congeston. La fgure 1.9 montre l anmaton de paquet avec NAM. Pour un réseau composé de quelques dzanes de nœuds, l outl est très effcace. En effet, l permet d étuder tous les événements sur un réseau et ses conséquences. Il est possble de confgurer la vtesse de déplacement des paquets, donc on peut ans décortquer tranqullement la source et l mpact d un événement sur le système à gérer ou à smuler. En contre parte, la capacté de vsualsaton s avère très lmtée lorsqu l s agt de supervser un réseau de grande talle. Fgure 1.9 : anmaton de paquet avec NAM Il exste une centane d outls de vsualsaton de réseaux dans le domane commercal ou publc 11. Il est mpossble et d alleurs non nécessare de cter c tous ces dfférents outls sachant qu ls ont à peu près les mêmes prncpes

32 Etat de l art Outls de smulaton de réseau Les outls de smulaton de réseau sont très mportants dans la recherche de l améloraton de la performance de réseau. La smulaton est mportante car elle permet de réalser n mporte quel type de confguraton de la topologe de réseaux. Elle permet auss de réalser des tests de nouveaux protocoles réseaux ou de fare une améloraton. Elle est donc économque car avec une seule machne on peut réalser la smulaton d un réseau enter. OPNET OPNET 12 est peut être l outl de smulaton de réseau le plus complet. En effet, grâce à ses bblothèques de modèle (commutateurs, routeurs, statons de traval, serveurs ), l permet de smuler n mporte quel type de réseau (réseau smple, réseau d entreprse ou réseau mondal). Pluseurs nterfaces sont proposées pour la créaton d une smulaton et elles sont regroupées en tros nveaux hérarchques : network doman, node doman et process doman. Le network doman est utlsé dans la confguraton de la topologe du réseau à smuler en nstallant les dfférents nœuds et les relatons entre eux. Une fos la topologe du réseau confgurée, le node doman est utlsé dans la confguraton des caractérstques de chaque nœud. Les caractérstques d un nœud sont groupées en modules (exemple processeurs). La dernère étape est la confguraton du rôle de chaque module, c est dans le process doman qu on l effectue. Dans chaque module s exécute un processus prncpal auquel s ajoutent des processus fls qu accomplssent des tâches précses. OPNET propose beaucoup de souplesse dans la confguraton des lens, par exemple, on peut chosr des modèles de lens comme Ethernet 100Mbs ou ATM, mas on peut auss défnr un tout nouveau type de len avec un débt partculer, un type de paquet supporté, un type d erreur générée, etc. Actuellement OPNET est l outl le plus utlsé dans la concepton de nouveaux protocoles réseaux, et grâce à ses bblothèques on peut réalser dfférents types de structure de topologe. Des représentatons graphques sont utlsées tout au long de la concepton du réseau à smuler et les postons géographques des nœuds sont auss prses en compte. On peut ans smuler un réseau très étendu et très complexe mas cec nécesste une bonne connassance en technologe de réseau. Le seul nconvénent de la smulaton avec OPNET est que les données et les trafcs du réseau sont générés par des applcatons ne fasant pas parte d un système 12 Opnet: 30

33 Etat de l art réel, donc les résultats de la smulaton ne reflètent pas toujours le comportement et les caractérstques d un réseau réel. Intalement conçu pour la smulaton et la concepton de réseau sous le nom OPNET Modeler, l a été commercalsé et se déclne actuellement en dvers modules recouvrant toutes les actvtés d admnstraton de réseaux. Les deux nouveaux modules ajoutés au smulateur Modeler sont destnés à la geston de la performance des applcatons réseaux et la planfcaton du réseau pour les nouvelles applcatons ou les nouvelles technologes. Un module de geston de la performance des applcatons réseaux prend en charge la geston de cycle de ve d une applcaton pour qu elle pusse répondre et s adapter à tout nouveau beson des servces. En effet, les entreprses utlsent de plus en plus des applcatons réseaux pour les besons de leurs actvtés, donc un dysfonctonnement d une applcaton dstrbuée peut avor une grave conséquence sur la productvté. Un module de planfcaton réseau est composé de pluseurs outls. Il y a un outl qu propose des solutons pour assurer la compatblté du réseau avec d éventuelles nouvelles technologes ou de nouvelles applcatons. L améloraton de la qualté de servce du réseau est prse en charge par un autre outl. Et les autres outls de geston de réseaux proposés par OPNET permettent de vsualser en temps réel les trafcs, les événements et les états de chaque nœud. Un outl de geston de confguraton de réseau permet à la fos la geston de l ntégrté et de la sécurté. Tous ces outls sont assocés avec des technques de vsualsaton qu permettent d effectuer vsuellement les tâches de geston. La fgure 1.10 résume le processus de créaton d une smulaton avec OPNET qu commence par le postonnement géographque des nœuds, ensute la créaton de la structure du réseau jusqu à l édton des processus qu tournent sur les dfférents modules. 31

34 Etat de l art Fgure 1.10 : Processus de créaton de smulaton avec Opnet. NCTUns C est un outl de smulaton de réseau TCP/IP 13 destné aux envronnements UNIX. La plus grande dfférence de cet outl par rapport aux autres smulateurs de réseau est l utlsaton d une nterface réseau appelée Tunnel Network Interface [Wang, 1999]. Il s agt d une pseudonterface réseau dsponble pour toute machne dotée d un système d explotaton de type UNIX. Donc l n y a pas de carte réseau physque lée à cette nterface mas elle se confgure comme une nterface réseau réelle. La smulaton s effectue sur une seule machne qu joue le rôle de dfférents nœuds (commutateurs, postes de traval, etc.) par l utlsaton du noyau du système. En conséquence, le nombre de nœuds du réseau à smuler est llmté. Par contre le nombre de lens est lmté car chaque len vrtuel utlse une pseudo-nterface avec un nombre 13 TCP/IP: Transfer Control Protocol/Internet Protocol 32

35 Etat de l art de 256 nterfaces maxmum pour un système Lnux. Il y a deux grands avantages de cette méthode. Comme la smulaton utlse les dfférentes couches réseau TCP/IP et que les applcatons utlsées dans la confguraton des dfférents nœuds et lens sont des applcatons du système réel alors les résultats de smulatons sont plus proches du comportement d un réseau réel. Sur chaque nœud du réseau smulé on peut dsposer de l API UNIX, donc toute applcaton du réseau réel à développer peut tourner sur le réseau smulé. Cec permet d mplémenter drectement l applcaton sur un réseau réel à la fn de la smulaton car elle a été développée dans un envronnement réel. Cependant, un des nconvénents de l outl est qu l ne propose aucune nterface graphque dans la confguraton et dans l étude du comportement du réseau à smuler. Tout s effectue donc avec le mode texte et la structure topologque du réseau vrtuel est affchée textuellement. Ensute, la smulaton dot s effectuer unquement dans un envronnement UNIX et l n y a pas moyen d utlser d autre système. On peut constater à travers ces quelques outls l mportance de la smulaton dans l améloraton de la performance de réseaux tant au nveau protocole qu au nveau de la structure topologque. Nous avons cté unquement ces deux outls afn de montrer l apport des représentatons graphques dans l analyse d un système. Il exste pluseurs outls de smulaton de réseau comme Dummynet [Rzzo, 1997], SSFNet [Jacob, 2001] et Real [Keshav, 1998] qu présentent d autres approches dans la concepton et l améloraton des protocoles réseaux, mas comme ls ne proposent pas de vsualsaton dans leurs fonctonnaltés, nous ne les ctons c unquement qu à ttre d ndcaton Les outls de geston de la sécurté des réseaux La geston de la sécurté est devenue depus quelques années un enjeu majeur dans l admnstraton de réseaux, et c est la rason pour laquelle elle est ntégrée dans toutes les couches de la structure de communcaton réseau. La geston de la sécurté a pour objectf d évter toute tentatve d ntruson (volontare ou non nvolontare) dans un système afn d assurer son bon fonctonnement. Avec l augmentaton du volume de données, la complexté de la structure de réseau et surtout les performances des dspostfs, l devent cependant de plus en plus dffcle d assurer la sécurté d un réseau. En effet, avec la vulgarsaton de l Internet, aucun système ne peut prétendre être totalement en sécurté. Actuellement, le vra déf dans la geston de la sécurté de réseau est de détecter auss tôt que possble une ntruson avant qu elle n affecte le bon fonctonnement du système. Effectuer cette tâche en permanence par des lgnes de commandes s avère cependant très dffcle, c est pourquo la 33

36 Etat de l art représentaton graphque de la structure de réseau est mportante car elle permet, lorsqu elle est assocée avec des technques de vsualsaton, de surveller vsuellement toute tentatve d ntruson et toute rrégularté dans le fonctonnement des dspostfs. En général l y a deux catégores de méthodes de geston de la sécurté de réseau. Ces deux méthodes sont toutes assocées avec la représentaton graphque de la structure topologque de réseaux afn de permettre d dentfer tout changement dû à une quelconque ntruson ou à des dysfonctonnements des dspostfs. La premère méthode est appelée analyse passve de réseau. Avec cette méthode les événements sont stockés dans un fcher de traces (appelés "fcher log") ou dans une base de données. Les nformatons contenues dans un fcher log ou dans une base de données sont ensute tradutes graphquement sur l affchage. PANEMOTO Cet outl [Strelen, 2007] utlse auss l analyse passve en utlsant des données stockées dans une base de données. Pour détecter un changement sur le réseau, son prncpe consste à comparer l état actuel de chaque nœud par rapport à son état précédent. La représentaton graphque de la structure topologque du réseau et le sens des flux de données permettent d dentfer quel dspostf est source de tel événement (Fgure 1.11). Il est donc plus facle d dentfer la source d une quelconque ntruson d autant plus que chaque nœud est dentfé sur l affchage par son adresse IP. Dans le cas où le nombre de nœuds devent assez mportant, l outl permet auss d étuder ndvduellement chaque nœud en affchant les autres nœuds qu lu sont connectés. Ce genre de détals permet de connaître quel noeud communque avec qu et à quelle fréquence. En comparant systématquement l état courant du réseau par rapport à son état précédent, l outl permet de détecter tout changement comme l nactvaton ou le dysfonctonnement d un nœud sute à un quelconque problème, par exemple l apparton d un nouveau nœud, l nstallaton d un nouveau système d explotaton ou la mse à jour d une applcaton. Ces événements sont traduts graphquement par des codes couleurs, par exemple un nouveau nœud est coloré en bleu tands qu un nœud nactf est coloré en grs. Un changement sur un nœud est montré par une couleur jaune. PANEMOTO représente la source et l orgne des flux de données par la drecton des lens entre les nœuds, et la couleur de chaque len ndque l état du port du dspostf destnatare d un flux. Un len coloré en bleu sgnfe que le port de la machne destnatare est ouvert, la 34

37 Etat de l art couleur rouge veut dre que le port est fermé tands que la couleur jaune ndque une connexon restrente. Fgure 1.11 : Vsualsaton de flux de données avec PANEMOTO Fgure 1.12 : Supervson des états des nœuds avec PANEMOTO 35

38 Etat de l art L outl de Robert F. Erbacher L outl développé par Robert F. Erbacher [Erbacher, 2002] est basé auss sur cette méthode mas l utlse à la fos les données contenues dans des fchers log et la varaton des flux de données pour dentfer une ntruson (Fgure 1.13). Le système à gérer est représenté par le cercle au centre de l affchage dont chaque trat qu entoure le cercle représente dx utlsateurs connectés au système et l épasseur du cercle nterne dentfe la charge système. Les nœuds externes au réseau sont représentés par les petts cercles qu entourent le cercle central. Toutes les nformatons sur les connexons sont représentées par les lens, la drecton d un len par exemple dentfe le sens de la connexon et sa talle représente le type de connexon (rlogn et telnet sont représentés par des lgnes soldes tands que les connexons NFS sont représentées par des lens en pontlés). Une connexon non authentfée est représentée par deux lgnes et la couleur rouge d un len représente une attaque nterceptée sur un port de l un des dspostfs du système à gérer. Fgure 1.13 : Vsualsaton des ntrusons Malgré l utlsaton des couleurs et des caractérstques de lens pour dentfer les attaques, l nterprétaton de la métaphore proposée par cet outl n est pas facle car l utlsateur sera toujours oblgé de mémorser la sgnfcaton de chacune des formes utlsées. En plus, l n y a 36

39 Etat de l art aucun moyen de dstnguer drectement les dspostfs représentés par les cercles. Il manque auss l affchage de la structure topologque du système à gérer. Mas on remarque déjà l apport de l utlsaton de couleur et des caractérstques de forme pour mettre en évdence des aspects mportants dans l admnstraton d un système complexe [Terry, 1997]. VsAlert Toujours avec la même méthode, [Lvnat, 2005] propose un nouveau paradgme de vsualsaton pour la détecton d ntruson. Les nformatons de geston sont lues à partr des fchers log et l affchage propose des vues basées sur tros attrbuts d une alerte «what», «when», et «where» c'est-à-dre quo, quand et où. Ce paradgme permet d dentfer graphquement une alerte, la date et heure exacte de son occurrence et l objet cble. La topologe du réseau est présentée au centre de l affchage et toutes les alertes sont postonnées crcularement selon leur type et leur date d apparton (Fgure 1.14). Du pont de vue conceptuel, le paradgme proposé par cet outl (VsAlert) peut être représenté sur un repère trdmensonnel, mas la structure topologque du réseau et les dfférentes alertes sont affchées graphquement en 2D. Fgure 1.14 : Cette fgure montre le paradgme «what, when, where» 37

40 Etat de l art Les types d alertes sont dstngués par des codes couleurs et selon leur date et heure d apparton, une alerte se déplace progressvement du cercle ntéreur vers le plus grand cercle extéreur. La relaton entre une alerte et l objet source est représentée par un len dont la couleur vare auss selon le type de cette alerte. Le déplacement d un rectangle qu représente une alerte permet d avor l hstorque des événements affectant le système. Le prncpal nconvénent de cette représentaton est l affchage de la structure topologque du réseau à gérer. En effet, l espace ntéreur pour affcher la topologe du réseau devent faclement llsble lorsque le nombre de nœuds du réseau devent assez mportant. Le plus grand avantage de l analyse passve de réseau est qu elle permet de connaître en temps réel tous les nœuds actfs depus lesquels des messages sont envoyés. Cependant, cette méthode peut condure à une erreur car les dspostfs dovent envoyer en permanence des messages pour être découverts par le système, et les trafcs générés par des dspostfs connectés aux dfférents sous-réseaux peuvent ne pas être prs en compte. L analyse passve des nœuds peut dépendre auss du système d explotaton nstallé car la durée nécessare pour découvrr une staton de traval qu utlse Wndows n est pas la même que celle nécessare pour des statons qu utlsent un autre système d explotaton. La deuxème méthode de geston de la sécurté de réseaux consste à scruter contnuellement sur un ntervalle de temps détermné l état de chaque nœud. Nmap 14 par exemple fonctonne de cette manère. Son mécansme est basé sur le "scan" des ports des dspostfs réseaux pour détecter une ntruson. Une fos les nformatons reçues, la structure du réseau est affchée graphquement pour dentfer faclement de quelle adresse provent une ntruson. De même l outl Cheops 15 utlse le même prncpe pour affcher graphquement la structure d un réseau, le système d explotaton et les applcatons qu tournent sur chaque nœud. L nconvénent de scruter contnuellement les nœuds est la surcharge du réseau car plus le nombre de nœuds devent mportant plus le volume du trafc nécessare pour connaître les états de chaque nœud augmente. Mas par rapport à l analyse passve de réseaux, cette méthode permet de connaître en temps réel les dysfonctonnements et les ntrusons ndépendamment de la poston des nœuds dans la structure du système. 14 Ntework Mapper: 15 Cheops-ng: 38

41 Etat de l art L utlsaton de matrces dans la vsualsaton de réseaux Une des méthodes très utlsées dans la vsualsaton de réseaux est la représentaton matrcelle de la structure topologque. Cette méthode permet d affcher sur un pett espace un réseau très étendu formé par une centane ou un mller de noeuds. Par contre l est plus dffcle de comprendre la structure topologque du système à étuder, et d alleurs cette technque a pour unque objectf d étuder la performance des dspostfs à travers les flux de données. Par rapport à un graphe, une matrce permet de faclter l analyse des flux de données car les dspostfs sources et destnatons sont affchés respectvement et clarement sur les lgnes et les colonnes. Assocé avec des technques de fltrage qu permettent de représenter les nœuds par groupe d adresse IP, une matrce permet auss d étuder la topologe de réseaux et de gérer les trafcs afn de détecter un dysfonctonnement ou une ntruson. PacketGrdVsualzer L outl développé par [Le Malécot, 2006] représente sous forme d une grlle la structure topologque d un réseau et les flux de données sont représentés par des lens jognant un nœud d une lgne vers un autre nœud d une colonne. L objectf prncpal de l outl est de proposer aux admnstrateurs de nouveaux moyens d assurer la sécurté d un réseau par l analyse des flux de données. La matrce est dvsée en deux groupes de deux grlles de 16x16 (Fgure 1.15). Le premer groupe représente le réseau statque (le système à gérer) et l autre groupe représente le réseau dynamque (le réseau extéreur). Pour vsualser le trafc sur le réseau, une grlle (16x16) de chaque groupe content les nœuds sources et une autre grlle content les nœuds destnatares. De cette manère, l est facle d dentfer le nœud source et le nœud destnatare d un paquet ans d dentfer faclement toute alerte sur le réseau qu elle sot de source extéreure ou ntéreure. Afn d amélorer la qualté de l affchage, des technques de fltrage sont mplémentées pour permettre d avor la vue globale du système à étuder et d extrare les détals selon le beson de l utlsateur. Pour cela, les quatre octets qu forment une adresse IP sont utlsés pour affcher les nœuds dans la grlle. Chaque quadrlatère d une grlle représente tous les nœuds qu partagent le même premer octet d adresse. Au lancement, l affchage montre une vue agrégée du réseau en affchant unquement les adresses IP qu contennent le premer octet (sous forme X.0.0.0), ensute l utlsateur peut vsualser tous les sous-réseaux. Ans, en fxant le premer octet d une adresse IP on peut affcher successvement tous les nœuds qu partagent ce groupe d adresse. De cette façon, l utlsateur 39

42 Etat de l art peut chosr de manère nteractve la parte du réseau qu l ntéresse jusqu au nœud fnal source ou destnatare d un flux de données. Sur la fgure suvante, deux grlles du côté gauche (haut et bas) contennent les nœuds sources et destnatares du réseau nterne tands que les deux autres grlles du côté drot contennent les nœuds extéreurs. Fgure 1.15 : Affchage de flux de donnée sous forme matrcelle. De même, SeeNet [Becker, 1995] utlse auss la représentaton matrcelle pour vsualser les flux de données d un réseau (Fgure 1.16). Les nœuds sources des données sont affchés sur les colonnes et les nœuds destnatares sur les lgnes. L ntersecton d une lgne et une colonne est représentée par un rectangle dont la couleur peut varer pour ndquer s la lason correspondante a attent la capacté de la bande passante allouée. Certes, la représentaton matrcelle ne permet pas de vsualser drectement la structure topologque d un réseau comme avec un graphe, mas elle permet de résoudre le problème de confuson et saturaton de l affchage, et peut être très effcace lorsqu elle est assocée à des technques de fltrage comme le montre le précédent outl. 40

43 Etat de l art Fgure 1.16 : Représentaton matrcelle de flux de données avec SeeNet Conclusons Nous avons étudé, à travers ces quelques exemples, les grands prncpes de la vsualsaton 2D dans la supervson de réseaux. Ces outls montrent les avantages de la représentaton graphque dans la vsualsaton d un système complexe. On peut en dédure cependant que le nombre de nœuds et de lens du système à étuder reste le problème majeur de la vsualsaton 2D basée sur le paradgme nœud-len. En effet, on constate que la représentaton devent rapdement confuse et saturée dès que le nombre de nœuds devent assez mportant et surtout lorsque les relatons entre ces nœuds devennent complexes. En d autres termes, la représentaton graphque 2D permet dffclement de vsualser un système dont la structure topologque est très complexe. Néanmons, on constate auss qu l exste beaucoup de technques qu peuvent être assocées avec la représentaton 2D pour faclter la compréhenson des événements modfant la structure ou le comportement du système, par exemple l anmaton, l nteracton et le zoom. Dfférentes méthodes sont auss utlsées dans le postonnement des nœuds, par exemple l utlsaton des algorthmes de graphe qu permettent de rédure le crosement de lens et d avor ans des affchages avec une esthétque melleure. Il y a auss la méthode manuelle qu est mportante dans la smulaton d un réseau de quelques dzanes de nœuds car elle permet à l utlsateur de construre manuellement la structure du système à étuder. Et fnalement la méthode mxte qu permet d amélorer l affchage après le postonnement automatque des nœuds par l applcaton de vsualsaton. 41

44 Etat de l art 1.3 Les technques de vsualsaton 3D Comme nous avons constaté à travers les dfférentes technques utlsées dans la vsualsaton 2D, le premer obstacle de l effcacté d un affchage est le volume de données à représenter graphquement. Les avancées technologques connues ces dernères années ont perms l apparton de nombreuses technques utlsées dans la vsualsaton 3D. L améloraton au nveau de la performance des cartes graphques et des processeurs a perms la réalsaton des recherches et des applcatons sur des ordnateurs personnels. Il exste actuellement pluseurs outls de supervson de réseaux qu utlsent les technques de la vsualsaton 3D pour faclter les dfférentes tâches de geston. La queston se pose alors s ces technques de vsualsaton ont apporté des solutons aux problèmes rencontrés dans l utlsaton de la représentaton 2D. De nombreux travaux ont été réalsés et ont montré les avantages de la représentaton 3D par rapport à la représentaton 2D [Ware, 1994], [Hubona, 1997], [Gogolla, 1999]. Dfférentes théores mathématques ([Cohen, 1997], [Eades, 2000], [Dujmovc, 2002]) ont montré que la représentaton 3D permet d affcher des graphes plus esthétques que la représentaton 2D, et ont prouvé auss qu l est possble d évter les crosements de lens qu sont les premers problèmes de la lsblté d un affchage. [Cox, 1996b] a confrmé par ses travaux sur la supervson de trafcs Internet que la vsualsaton 3D permet de rédure le crosement de lens et offre un modèle ntutf de navgaton. Mas en pratque, un avantage le plus évdent de la vsualsaton 3D est qu l est plus facle d nterpréter une nformaton représentée en 3D pusque nous vvons dans un monde physque où les objets sont par nature représentés en 3D [Topol, 2002]. L autre avantage de la vsualsaton 3D est qu elle offre une possblté plus large dans la dsposton des éléments dans l affchage. Ensute, l exploraton de la structure d un système est facltée grâce à la possblté de rotaton sur les tros axes (x, y, z), ce qu permet d effectuer des analyses détallées de l affchage. Evdemment le mécansme de zoom est ntégré par défaut par ces tros axes. Les tros dmensons offrent plus de combnasons possbles de couleur dans la créaton des métaphores pour représenter graphquement un système. Actuellement, la dernère génératon des technques de vsualsaton utlse des envronnements 3D (ou monde 3D) comme nterface afn de faclter la compréhenson de la structure des systèmes complexes ans que le comportement de ses éléments. Ces envronnements permettent d ntrodure faclement le concept du système à étuder grâce à la 42

45 Etat de l art reproducton 3D des éléments à gérer ans que leurs structures, ce qu permet d avor une vue plus synthétque du système enter. Cette secton se dvse en deux partes. Dans la premère parte nous allons étuder, à travers les outls qu utlsent la représentaton 3D, les avantages de cette technque dans la vsualsaton de réseaux. La deuxème parte présente dfférents problèmes des technques de vsualsaton 3D dans la geston de systèmes complexes Les outls de vsualsaton 3D La représentaton orentée géographe Il exste certans types de systèmes complexes dont la supervson nécesste la connassance de la poston géographque de ses éléments, par exemple les réseaux de télécommuncaton ou les réseaux des backbones. Pour ce genre de systèmes la melleure méthode reste toujours l affchage sous forme de graphe des relatons entre les dfférentes ressources ou stes assocées à une cartographe montrant leurs postons. SeeNet3D SeeNet a été améloré pour offrr une vsualsaton plus effcace du réseau téléphonque et nformatque de AT&T. La nouvelle verson de l outl SeeNet qu s appelle SeeNet3D [Cox, 1996a] propose tros méthodes pour vsualser les flux de données et offre plus de détals d un sous-réseau ou d un nœud partculer. La premère méthode consste à postonner géographquement les nœuds sur un globe et les flux de données représentés par des arcs 3D. Comme le montre la fgure 1.17, l est plus facle d nterpréter l affchage car l est mons saturé, en plus on peut vor toutes les faces du globe par rotaton. Des technques comme la transparence sont utlsées pour évter le problème d occluson empêchant de vor l autre face du globe. 43

46 Etat de l art Fgure 1.17 : Métaphore de globe avec SeeNet3D La deuxème méthode consste à représenter sur une carte géographque plate les dfférents nœuds. Ensute, les flux de données sont représentés en 3D sur cette carte. La combnason de carte 2D avec la représentaton 3D des arcs présente des caractérstques ntéressantes car elle permet encore d évter le problème d occluson et de rédure ans le crosement des lens. La fgure 1.18, montre par exemple le trafc Internet à travers le monde enter dont les pays sont représentés par des sphères. Tous les détals de l affchage peuvent être obtenus par une rotaton ou un zoom sur la scène. La trosème méthode permet de mettre en évdence un nœud et les flux de données dont l est la source ou la destnaton. Le nœud est postonné au centre de l affchage et les autres éléments qu lu sont connectés sont affchés crcularement. L objectf de cette dernère méthode est d étuder, ndépendamment de leurs postons géographques, les volumes de trafcs entre les dfférents pays. Elle permet de connaître de façon plus précse quels sont les pays destnatares des trafcs depus un pays source et comment sont réparts les volumes de ces trafcs. Les pays sont représentés par des sphères dont la talle vare selon le volume de trafcs entrant ou sortant. Pour cela, tros technques sont utlsées pour affcher les nœuds destnatares des trafcs tands que le nœud source est postonné au centre de l affchage. La premère technque permet d affcher crcularement un nombre d objets relatvement pett (mons de 100 objets). La deuxème technque permet d affcher plus d objets en les 44

47 Etat de l art répartssant par des cordonnées hélcoïdales (Fgure 1.19). Et la trosème technque permet de répartr sphérquement les nœuds destnatares de trafcs. Fgure 1.18 : Vsualsaton de trafc Internet sur une carte 2D avec des arcs en 3D Fgure 1.19 : Affchage hélcoïdal avec SeeNet3D 45

48 Etat de l art NSFNET 16 Cet outl propose une autre méthode de vsualsaton 3D de trafcs Internet des réseaux de backbones. La carte géographque n est plus affchée en 2D mas en 3D (Fgure 1.20) et l emplacement de chaque ste est plus précs. Fgure 1.20 : Vsualsaton de trafc avec NSFNET La topologe géographque des backbones est affchée au dessus de la carte 3D et les trafcs entre les stes et les backbones sont représentés par des lens dont la couleur vare selon le volume des flux de données. Flodar Cet outl [Swng, 1998] représente auss sur un globe 3D les trafcs entre les serveurs d un réseau. Cet outl est destné à la vsualsaton de charge d un serveur selon le volume des trafcs dont l est la source. Une des technques de vsualsaton proposées est la représentaton sur un globe de la poston géographque des dfférents serveurs (Fgure 1.21). 16 Hstory of NSF and the Internet, 46

49 Etat de l art Fgure 1.21 : Poston géographque des serveurs XTraceroute 17 Il affche en 3D sur un globe les dfférents nœuds du trajet des paquets IP depus la machne source jusqu à la machne destnatare. Les postons géographques des dfférents nœuds sur le trajet sont affchées (Fgure 1.22). H3Vewer Cet outl [Munzner, 2000] propose auss la vsualsaton sur un globe 3D des systèmes complexes comme le réseau des backbones, une structure de lens web (Fgure 1.23), une structure de logcel ou de système d explotaton, etc. L algorthme utlsé avec cet outl paraît très effcace car l permet d affcher des mllers de nœuds en une dzane de secondes. Par contre la métaphore utlsée ne permet pas toujours d dentfer faclement les éléments du système représentés par les dfférents nœuds du graphe. 17 Xtraceroute, 47

50 Etat de l art Fgure 1.22 : Vsualsaton de trajet de paquet IP avec l outl XTraceroute Fgure 1.23 : Vsualsaton de structure de lens web avec H3Vewer 48

51 Etat de l art La représentaton 3D orentée topologe La majorté des outls de vsualsaton 3D de réseau représente la structure topologque en 3D. En plus des technques de navgaton natves à la représentaton 3D (rotaton, zoom, translaton), tous les algorthmes utlsés dans la représentaton 2D peuvent être auss adaptés et on constate qu ls permettent une melleure dsposton des nœuds. Cchld C est un outl de geston de la performance de réseau [Brown, 2000] qu propose deux types d affchage 3D : le premer représente la structure topologque de réseaux (Fgure 1.24) et le deuxème permet d affcher sous forme des dagrammes 3D la performance des dspostfs réseaux. Le volume des trafcs par source ou par protocole est représenté par une barre 3D dont la longueur correspond au nombre des paquets envoyés pendant une pérode donnée. D autres technques sont utlsées dans la vsualsaton des événements réseaux, par exemple, la varaton de flux de données entre deux nœuds est représentée à l ade d une nterpolaton de surface dont une anmaton permet d dentfer s la lgne correspondante attent la capacté de sa bande passante ou s elle est en dessous de sa capacté normale. Fgure 1.24 : Affchage de structure de topologe d un réseau avec Cchld 49

52 Etat de l art PATROL Vsuals Il s agt d un outl d admnstraton de réseaux développé par la socété BMC Software [BMC, 2008]. La performance de l outl est caractérsée par sa capacté à offrr dfférentes vues 3D des actvtés de réseaux complexes et l utlsaton d un modèle d nformaton standardsé qu permet d avor une référence unque des nformatons de geston. Les données de geston sont stockées dans une base de données Oracle. Par l utlsaton du modèle d nformaton CIM (Common Informaton Model) l outl permet de gérer tout système hétérogène. Ans, l exploraton et l analyse d un réseau complexe sont plus facles car on a une vue homogène des nformatons de geston et on peut accéder à tout type de nœud par un système de requêtes de type SQL. Par exemple, on peut vsualser la topologe d un système avec la mse en évdence de tous les postes de traval dont la charge CPU dépasse 70%. Le système de requêtes ntégré avec la base de données faclte beaucoup le paramétrage de la vsualsaton. Cec permet d évter la saturaton de l affchage car on peut confgurer la vsualsaton selon des crtères ben défns, par exemple la confguraton des dspostfs (modèle, constructeur, verson de plote, etc.), poston dans la structure topologque du réseau (sous-réseau d appartenance, adresse IP, etc.) et sa performance. Des paramètres vsuels comme la couleur et la talle des nœuds sont utlsés dans la supervson de la performance d un système. Les flux de données sont représentés par des lens orentés du nœud source vers le nœud destnatare. La talle et la couleur de ce len ndquent le pourcentage du volume des trafcs par rapport à la bande passante allouée. La fgure 1.28 montre la vsualsaton des flux de congeston d un système regroupant plus de 2000 utlsateurs. Un mécansme de zoom permet de mettre en évdence un groupe d éléments ou un sous-réseau partculer. La pette fenêtre en haut à drote dans la fgure 1.25 affche en mnature la topologe du réseau étudé. Elle content un curseur qu permet d ajuster l affchage dans la fenêtre prncpale. 50

53 Etat de l art Fgure 1.25 : Vsualsaton de flux de congeston Les envronnements de vsualsaton 3D Il s agt d un ensemble de technques de vsualsaton dont l objectf est de proposer à l utlsateur un envronnement 3D qu reprodut auss fdèlement que possble l envronnement de geston réel. Cependant, ces envronnements peuvent auss ntrodure des concepts dfférents pour faclter le processus de compréhenson des actvtés de geston. Par rapport aux méthodes tradtonnelles de geston de réseaux, les représentatons graphques en deux dmensons sont des avancées très mportantes dans la vsualsaton des systèmes complexes tels qu un réseau nformatque à grande échelle, cependant la nouvelle génératon de réseaux de plus en plus étendus et formés par des dspostfs toujours plus performants nécesste de nouvelles approches et de nouveaux moyens dans la supervson des actvtés réseaux. La premère approche des envronnements 3D est de proposer des représentatons plus proches des envronnements réels pour faclter la compréhenson du système à étuder. Cette représentaton a pour objectf de permettre à l utlsateur d nteragr avec le système à gérer au leu d un smple observateur dstant comme dans la vsualsaton 2D. La deuxème approche consste à exploter les capactés des réseaux haut débt pour permettre à pluseurs opérateurs de collaborer ensemble dans l admnstraton d un système complexe. 51

54 Etat de l art FlatLand Dans le domane de geston de la sécurté, un concept a été étudé au laboratore LANL (Los Alamos Natonal Laboratory) pour la détecton d ntruson et le dysfonctonnement de réseau. La vsualsaton des ntrusons est basée sur le concept d attaque et défense ans que de terrtore et de boucler [Fsk, 2003]. Les expérences ont été réalsées dans un envronnement 3D destné à la vsualsaton de réseaux appelé Flatland 18. La structure topologque du réseau est affchée sur un terrtore représenté par un espace crculare plat et délmté par un boucler transparent sous forme d une dem-sphère. Les dspostfs et postes de traval du réseau à supervser sont représentés par leurs adresses IP et reparts à l ntéreur de la dem-sphère selon leurs coordonnées polares. Une autre dem-sphère transparente est utlsée pour affcher les nœuds externes au réseau qu sont connectés aux nœuds nternes (Fgure 1.26). Les flux de données entre les nœuds nternes et les nœuds externes sont représentés par des lens cylndrques. La couleur d un len permet d dentfer le numéro du port à partr duquel un nœud externe se connecte à un ou pluseurs nœuds du réseau à gérer. Les nformatons textuelles relatves à un nœud externe et les actvtés qu l effectue au réseau nterne sont affchées sur une fenêtre transparente plaquée sur la fenêtre prncpale. On peut vor sur la fgure 1.27 par exemple, l adresse IP d un poste de traval externe et la lste des nœuds avec les numéros des ports par lesquels des ntrusons sont effectuées. Fgure 1.26 : Concept de terrtore et de boucler et dsposton des nœuds 18 Unversty of New Mexco, The homunculus project 52

55 Etat de l art Fgure 1.27 : Vsualsaton d ntrusons avec Flatland Cybernet Cybernet ([Abel, 1999], [Abel, 2000]) est un projet condut au sen de l Insttut Eurocom dont l objectf est d étuder l apport des technques 3D dans l admnstraton de réseaux. Dans ce projet pluseurs métaphores 3D sont proposées dans l étude de la structure de réseaux complexes. Une des métaphores développées dans ce projet utlse les arbres conques 3D pour vsualser la structure hérarchque d un système. La fgure 1.28 montre la représentaton 3D de la structure topologque du réseau Eurocom. Les concentrateurs (hubs) et commutateurs (swtches) sont représentés respectvement par des cubes bleus et rouges. Les postes de traval représentés par des sphères sont dsposés autour du cône du concentrateur ou du commutateur auquel ls sont connectés. La connexon entre deux commutateurs ou entre un commutateur et un concentrateur est représentée par un len cylndrque dont la couleur vare selon la varaton de l utlsaton de la bande passante affectée à ce len. L outl propose auss d autres technques de vsualsaton selon le type de domane à étuder. Par exemple, s l s agt d étuder la charge du processeur de chaque staton de traval alors des barres 3D sont utlsés comme métaphores. La hauteur d une barre 3D correspond à la charge du processeur et sa couleur ndque le taux d utlsaton de la mémore de la machne. 53

56 Etat de l art Fgure 1.28 : Vsualsaton de la topologe du réseau Eurocom On peut remarquer que pour une structure hérarchque d un réseau sous forme d un arbre, la vsualsaton proposée par Cybernet apparaît très ntéressante, mas on ne sat pas comment l outl se comporte lorsqu l s agt d analyser des topologes plus complexes qu ne sont pas structurées en arbre. Comme l n y a pas d ndcaton sur les performances de l algorthme de dsposton de nœuds l est dffcle d évaluer l effcacté de l outl dans la vsualsaton d un système complexe. Pluseurs nterfaces 3D ont été auss développées pour répondre aux besons spécfques de l admnstraton de réseaux. En fat, l objectf prncpal du projet Cybernet est de démontrer qu en représentant les dfférentes caractérstques de réseau par des métaphores 3D l est plus facle pour l utlsateur d avor des vues synthétques du système à gérer et de rédure ans le temps nécessare à l analyse des problèmes. Dans cet objectf, l archtecture de l applcaton est composée de tros couches ben dstnctes : la couche de collecte de données «collectng layer» utlsée dans l extracton des nformatons de geston, la couche de structuraton de données «structurng layer» qu permet de modélser les nformatons selon le servce à effectuer et la couche de présentaton «vsualsaton layer» qu convertt ces modèles sous forme d un monde 3D. La couche de structuraton de données est le cœur de l applcaton. Elle modélse les nformatons selon le beson de la geston qu est exprmé en termes de 54

57 Etat de l art servce. Pour effectuer un servce, les nformatons sur les dspostfs ou sur les applcatons sont collectées par la couche de collecte de données et la représentaton 3D est prse en charge par la couche de présentaton. Les dfférentes nterfaces 3D expérmentées dans le projet Cybernet recouvrent presque toutes les tâches de geston de réseaux. Une représentaton géographque d un réseau local est proposée par une métaphore d un bâtment. Ben que la talle et la forme du bâtment soent approxmatves, les dspostfs ont par contre leurs vraes localsatons, ce qu permet à l utlsateur d explorer faclement le réseau, d effectuer une analyse rapde d un ncdent et de localser l emplacement exact des noeuds. On peut auss explorer le réseau en chosssant l emplacement exact d un nœud dans le bâtment en précsant les paramètres qu permettent de le localser. La fgure 1.29 représente la métaphore 3D sous forme de bâtment. Fgure 1.29 : Outl d admnstraton basé sur la métaphore de bâtment Cybernet propose auss d autres métaphores pour vsualser les trafcs générés par des applcatons comme NFS (Network Fle System). On sat que NFS est une applcaton clent/serveur qu permet de travaller sur un poste dstant avec un envronnement exporté depus un serveur de fcher. Avec NFS, un dsque sur le serveur est vu et exploté comme un dsque du poste de traval local mas selon le nombre d utlsateur connecté au serveur, cette applcaton peut générer des trafcs et des charges mportants sur le serveur. Pour vsualser la confguraton et les caractérstques du type d applcaton, Cybernet propose la métaphore 55

58 Etat de l art d une vlle (Fgure 1.30) pour vsualser un sous-réseau et des quarters qu représentent des postes de traval. Chaque bâtment d un quarter représente un dsque local. Depus un serveur, un étage sur un bâtment représente un clent connecté et qu utlse le servce NFS, et le nombre de fenêtre sur un étage correspond au nombre de fchers ouverts par un clent dstant depus son poste de traval. Fgure 1.30 : Supervson de réseaux avec la métaphore d une vlle Un avantage de cette représentaton est qu elle permet d évter la saturaton de présentaton comme avec le paradgme nœud-len. Il est plus facle de localser un serveur et d analyser vsuellement son état. Par contre, ce type de métaphore nécesste un certans temps de maîtrse car les dspostfs sont présentés par des formes plus abstrates. Il peut être donc dffcle pour une personne non habtuée de fare l analoge entre les affchages 3D et le système réel qu ls représentent. Cybernet propose encore pluseurs métaphores pour la vsualsaton de réseaux, par exemple l utlsaton d un système solare comme métaphore pour la supervson de la performance des statons de traval. Les statons de traval sont représentées par des étoles sur le système solare tands que les utlsateurs sont représentés par des satelltes dsposés autour des étoles. La talle et la couleur des satelltes sont des paramètres vsuels utlsés pour ndquer la charge des processeurs et la mémore vrtuelle assocée à chaque utlsateur. 56

59 Etat de l art L outl de Crutcher En 1992, une des premères expérences a été réalsée à l Unversté Columba (USA) [Crutcher, 1995] pour étuder les avantages de l utlsaton du monde 3D comme nterface utlsateur dans la geston de réseaux à haut débt tel que le réseau ATM (Asynchronous Transfer Mode). Pour cela l archtecture de l applcaton est formée par deux composants : une structure de geston de réseaux et un envronnement 3D. La structure de geston est en fat encapsulée dans un modèle de référence ntégrée (IRM Integrated Reference Model) qu offre des vues de la structure ndépendamment du réseau à étuder, du comportement dynamque du réseau et des servces nécessares à la geston. Le modèle IRM est composé de cnq couches (Fgure 1.31) dont chacune représente un nveau d abstracton d un réseau et de ses comportements. La couche de geston et de supervson des ressources est le cœur du modèle car elle représente toutes les nformatons de geston (les données statques telles que les caractérstques des dspostfs, les données dynamques telles que les tables de routage et les données de statstques telles que le volume des trafcs). Fgure 1.31 : Les couches du modèle IRM Cette couche est matéralsée par un répertore unque dans lequel lsent et écrvent les autres sous-systèmes réseaux représentés par les couches restantes. Une couche qu se trouve dans le nveau supéreur de la hérarche (appelée couche de geston) permet à l utlsateur de communquer avec les composants de l archtecture du réseau. Ans, à travers les prmtves 57

60 Etat de l art proposées par cette couche, les actons effectuées dans le monde 3D sont transmses à la couche de geston et de supervson. Par exemple, un utlsateur représenté par son avatar dans le monde 3D peut débrancher un len connecté à un port d un commutateur vers un autre port. En conséquence la topologe dans la base de la couche de geston est modfée, ce qu entraîne une modfcaton de la table de routage. L utlsateur peut étuder les caractérstques des lens par leur représentaton 3D. Par exemple, la fgure 1.32 affche une représentaton 3D d un len physque. La talle du len 3D (à drote) correspond à la capacté d un len physque. Une autre vue (à gauche) affche les ports des nœuds lés par le len 3D et la vue globale du réseau. Fgure 1.32 : Affchage vrtuel d un len Pour effectuer des études sur l effcacté de la vsualsaton, un prototype a été développé avec un émulateur de réseau qu content pluseurs modules de supervson et une nterface graphque par laquelle l utlsateur explore et vsualse en 3D la structure topologque du réseau. La vsualsaton combne une représentaton géographque de la structure du réseau avec des représentatons 3D du détal de chaque élément. Un outl d nteracton 3D appelé Crcket est utlsé pour manpuler les objets (nœuds et lens) affchés sur l écran. Cet outl permet de détecter la poston 3D, l orentaton et le déplacement de la man. 58

61 Etat de l art L outl de Brtsh Telecom En 1993 la socété Brtsh Telecom [Walker, 1993] a développé un outl de vsualsaton 3D pour la supervson des trafcs de son réseau téléphonque. L outl propose un envronnement 3D qu permet à l utlsateur d'explorer en détal la structure du réseau. Il est alors possble de cacher certans détals de l affchage pour avor une vue globale du système, mas on peut auss se focalser sur un élément partculer afn d étuder sa structure. Les nformatons textuelles assocées à chaque objet peuvent être affchées ou cachées en s approchant ou en s élognant du nœud. Les dysfonctonnements du réseau étudé sont représentés dans des salles 3D. Par exemple, lors d une alarme sur un élément, avec un smple clc de la sours sur le nœud correspondant, l utlsateur est transporté dans une salle où sont détallées toutes les nformatons concernant le statut de l élément (Fgure 1.33). Ces nformatons sont affchées sur des murs 3D. La structure topologque du réseau est affchée sous forme de graphe au dessus de la carte géographque du Royaume-Un. Cette méthode permet de comprendre faclement l emplacement géographque de chaque nœud et permet auss de réalser des nterventons rapdes en cas de problèmes car la corrélaton entre les centraux, les lgnes téléphonques et la poston géographque des noeuds est très forte. Fgure 1.33 : Analyse d un noeud dans une salle vrtuelle On peut déjà constater l avantage de l utlsaton des technques de vsualsaton 3D dans les domanes comme le réseau téléphonque qu a une organsaton spatale clare et naturelle de 59

62 Etat de l art la structure du système à étuder. Il est donc plus facle de chosr les métaphores qu permettent de représenter graphquement et sans ambguïté le système à gérer, c'est-à-dre que les formes à utlser dovent être mons abstrates pusqu l s agt de vsualser un système qu a une exstence physque réelle. VENoM Il s agt d un envronnement 3D conçu spécalement pour la vsualsaton d un réseau haut débt tel que les réseaux ATM [Cubeta, 2002]. L objectf prncpal de l outl est de faclter l admnstraton des réseaux complexes à grande échelle et hétérogènes, pour cela un ensemble de modules et applcatons sont proposés pour permettre aux admnstrateurs, pouvant être géographquement dspersés, de collaborer ensemble dans l exécuton des tâches de geston. La structure topologque et le comportement du réseau sont représentés graphquement par l ntermédare de deux modules NetMon (Network Montor) et PortMon (Port Montor). Le premer module prend en charge l affchage de la structure topologque du réseau par l utlsaton du protocole SNMP dans la collecte des nformatons de geston. Les dspostfs sont affchés dans des salles 3D où les utlsateurs sont représentés par leurs avatars (Fgure 1.34). Ce type d affchage permet clarement d analyser le système à étuder car l utlsateur peut se déplacer dans toutes les salles où sont dsposées les dfférentes ressources. Fgure 1.34 : Salle machne 3D 60

63 Etat de l art Le module NetMon assure auss la prse en charge de l hétérogénété des dspostfs. Ans, la forme de chaque dspostf est enregstrée dans une base de données de telle sorte qu une forme spécale est utlsée pour représenter un dspostf selon son constructeur. Comme l est dffcle de mettre en évdence dans une salle 3D les relatons hérarchques entre les dspostfs, une représentaton 3D de la topologe du réseau sous forme de graphe est proposée dans une autre fenêtre. Pour explorer un élément afn d étuder ses caractérstques ou pour connaître ses états, l sufft de clquer sur sa représentaton 3D et on est transporté dans une salle où sont affchés en 3D tous ses composants et les nformatons concernant leurs états. La fgure 1.35 montre par exemple la vsualsaton 3D des caractérstques d une staton de traval, le lecteur de dsquette est représenté par une mage de dsquette 3D et la mémore est représentée par une coupe de cerveau avec une anmaton qu permet d dentfer son utlsaton. Pour connaître les nformatons statstques sur les états de chaque composant, l sufft de clquer sur l cône 3D qu le représente et des nformatons textuelles sont affchées sur une autre fenêtre. Pour revenr dans la salle prncpale on clque sur la porte marquée "ext". Le comportement dynamque du réseau est prs en charge par le deuxème module PortMon. Toujours avec le protocole SNMP, PortMon scrute contnuellement les ports des dspostfs et leurs états sont affchés en 3D sur des murs vrtuels. Par exemple, la fgure 1.36 affche sur un mur 3D les nformatons sur les dspostfs connectés sur un commutateur. Chaque port affché sur le mur 3D représente un port physque. Sa couleur vare selon l état du dspostf qu lu est connecté, la couleur rouge ndque qu l exste un problème de connexon avec le dspostf ou celu-c est smplement nactf. En clquant sur un port on obtent toutes les nformatons textuelles concernant le dspostf connecté comme son adresse IP, le type du dspostf et les données statstques de son état. VENoM utlse un ensemble d outls tels que des casques de la réalté vrtuelle et des traqueurs comme outls d mmerson et d nteracton dans l envronnement 3D. Ans, l utlsateur ne reste plus un smple observateur dstant des données mas l devent une parte ntégrante du système à étuder. 61

64 Etat de l art Fgure 1.35 : Affchage 3D des caractérstques d une staton de traval L envronnement proposé par VENoM permet donc aux admnstrateurs d effectuer faclement les tâches de geston car les dfférentes ressources à gérer sont représentées avec des formes dont ls sont famlers et la dsposton de ces éléments dans les salles 3D faclte encore plus l exploraton du système. Cependant, ce type de présentaton présente certans nconvénents tel que le manque de représentaton des relatons entre les dspostfs affchés dans une salle 3D et les autres dspostfs extéreurs. Il est alors mpossble d analyser vsuellement la structure topologque et la performance du système car l manque justement la représentaton graphque des flux de données entre les dspostfs. L affchage sous forme de graphe de la topologe du réseau essae de combler ce problème mas la représentaton reste assez smplste et n a pas été conçue pour analyser la performance du système à partr des flux de données. 62

65 Etat de l art Fgure 1.36 : Vsualsaton de ports de commutateurs avec PortMon CoRG Cet outl [Schmdt, 1999] propose des métaphores de paysage naturel pour la vsualsaton de réseaux. Ans, un commutateur est représenté par une montagne et les postes de traval qu lu sont connectés sont affchés sous forme d arbres qu poussent tout autour (Fgure 1.37). Les caractérstques des postes de traval (système d explotaton, constructeur, etc.) sont représentées par la varété des arbres. La performance d un commutateur par exemple est représentée par la varaton du nveau de l eau du lac stué près d une montagne qu le représente. La relaton entre deux dspostfs est représentée par une rvère qu le deux arbres ou une montagne et un arbre. 63

66 Etat de l art Fgure 1.37 : Métaphore de paysage naturel dans la représentaton de réseau De plus, le volume des trafcs entre deux dspostfs est représenté par la varaton du nveau de la rvère qu le deux objets dans le paysage. Un autre caractérstque ntéressante de l outl est l utlsaton du son 3D pour dentfer un dysfonctonnement sur le réseau. Par exemple, le tonnerre est utlsé comme métaphore pour exprmer un problème sur un commutateur. Ans l éclar et le son permettent d dentfer dans l envronnement 3D le commutateur source d une alarme. Ce type de représentaton permet de dédure qu l exste pluseurs moyens de représenter vsuellement un système complexe. Certes l n exste aucune confuson n saturaton dans la représentaton mas ce type de représentaton donne déjà un ensegnement sur l mportance du chox des métaphores pour évter une forme trop abstrate qu peut complquer encore plus la compréhenson du système à vsualser Les problèmes de la vsualsaton 3D Comme nous l avons énoncé précédemment, le but de la vsualsaton basée sur les technques 3D est de fournr une compréhenson encore plus accrue du système à étuder. Cec consste non seulement à offrr une représentaton vsuelle plus réalste de la structure du système à gérer mas auss à proposer une nterface homme-machne facltant la manpulaton et l explotaton des données. La chute rapde du prx des ordnateurs personnels a perms au grand publc de dsposer d outls nformatques performants capables de générer des mages 3D de haute qualté. Mas un autre problème de la vsualsaton 3D des systèmes complexes 64

67 Etat de l art est la fludté d une anmaton car contrarement à la vsualsaton 2D, le temps nécessare à l affchage d une mage 3D est plus mportant. Cec peut rédure consdérablement l effcacté de la vsualsaton car les changements effectués par l utlsateur sute à son nteracton avec le système ne sont plus reflétés mmédatement à l affchage. Il peut alors percevor une anmaton comme un saut plutôt qu une transton flude, ce qu l oblge à fournr un effort plus mportant dans la compréhenson du comportement du système. On constate souvent ce genre de problème quand le dspostf de vsualsaton n a pas assez de ressources nécessares à l affchage 3D d une mage de haute résoluton et surtout pendant l exploraton (rotaton, translaton, zoom) d une structure complexe. Un autre problème qu peut nure à l effcacté de la vsualsaton utlsant les technques du monde 3D est le manque de représentaton des relatons entre les dfférents éléments d un système. En effet, le melleur moyen pour comprendre la structure d un système est la représentaton des relatons entre ses composants qu permettent non seulement de connaître la hérarche entre eux mas auss d étuder les flux de données qu sont mportants dans l analyse de la performance des ressources à gérer. C est la rason pour laquelle, comme nous avons pu le remarquer, la plupart des outls présentés c-dessus proposent à la fos des modules pour la vsualsaton de la topologe du système à étuder et des envronnements 3D qu essayent de proposer une reproducton proche de la réalté. La navgaton dans une scène 3D peut poser auss un grand obstacle dans l exploraton d un système complexe [Abel, 2000]. En effet, comme pour le cas du monde 3D, l est facle pour l utlsateur de perdre son orentaton après s être déplacé d une salle à une autre ou d un bâtment à un autre car l manque l affchage de la structure du système montrant les relatons hérarchques entre les dfférents éléments. Une soluton à ce problème est d affcher dans une autre fenêtre la poston de l utlsateur dans la structure du système. Mas cette méthode peut déver l attenton de l utlsateur car l sera tenté de basculer d une fenêtre à une autre pour vérfer sa poston et en même temps se concentrer dans l exploraton du système. Une autre leçon qu on peut trer des représentatons proposées par les outls que nous venons d étuder est le chox de métaphore car les données de geston relatves au système comme les réseaux nformatques font référence à des objets qu ont une exstence physque réelle. Les technques de vsualsaton proposées peuvent donc être plus effcaces lorsque les éléments à gérer sont représentés avec des formes plus proches de leurs formes réelles. 65

68 Etat de l art Nous avons pu auss remarquer à travers les dfférents outls de vsualsaton qu l est possble, avec les outls d nteracton de faclter encore plus l admnstraton d un système complexe quand celu-c est représenté avec des formes ben adaptées. Mas l reste encore le problème de l nteracton avec l envronnement 3D dans la geston d un système complexe. En effet, s l est possble de manpuler, de toucher et de sasr les objets avec des outls comme les gants et de sentr des effets avec des outls à retour d effort (comme le PHANToM), l n exste pas encore actuellement un outl abordable et effcace qu permet à la fos d effectuer ces gestes, donc de toucher et de sentr en même temps les effets. Cet nconvénent fat parte des problèmes qu l faut encore résoudre pour amélorer l effcacté des technques qu utlsent le monde 3D [Rorke, 1998]. 1.4 Conclusons et crtques La représentaton 3D a apporté une grande avancée dans la vsualsaton d un système complexe. Il est facle de constater que la trosème dmenson offre une grande possblté d affchage par rapport à l affchage 2D. Nous avons vu que l affchage de la structure de réseau avec une carte géographque en 3D (un globe 3D ou une carte 2D avec flux de données en 3D) offre une vue plus nette et plus clare du système à étuder. La trosème dmenson offre plus de possbltés dans la dsposton des nœuds dans le cas de l affchage de la structure topologque de réseaux. D alleurs tous les algorthmes utlsés dans l optmsaton des affchages en 2D s adaptent auss pour les affchages 3D, ce qu permet alors de dsposer effcacement pluseurs éléments dans un espace rédut et de vsualser ans un système avec une structure plus complexe. Contrarement à la vsualsaton scentfque où les données peuvent être représentées avec des formes abstrates, les éléments qu forment la structure d un réseau ont une exstence physque, donc leurs représentatons nécesstent des formes plus approprées de préférence mons abstrates. L un des avantages avec l affchage 3D est qu l permet de créer des formes complexes pour représenter les dfférents dspostfs d un réseau. En effet, l est plus facle pour un utlsateur d analyser vsuellement un système avec des éléments qu sont représentés par des formes dont l est famler [Abel, 1999]. Et sachant que nous vvons dans un monde où les objets sont représentés en 3D, alors la représentaton d un système avec cet affchage ne fat que faclter la percepton de sa structure [Gershon, 1995]. En 2D, à part l exploraton hérarchque de la structure d un système, l n y a en général que tros moyens de navgaton, le déplacement de gauche à drote, de haut en bas et le zoom. En 3D, tous les outls que nous 66

69 Etat de l art avons ctés proposent les technques de rotaton, de translaton et de zoom qu permettent de mettre en évdence les dfférents détals nécessares à l analyse de la structure et du comportement du système à gérer. Tous les avantages offerts par la vsualsaton 3D dont nous proftons aujourd hu n auraent pas été possbles sans les avancées technologques réalsées ces dx dernères années. En partculer les performances offertes par les cartes graphques grâce à l utlsaton des processeurs graphques et l apparton des processeurs encore plus performants qu ont perms le développement des applcatons qu peuvent être exécutées sur des ordnateurs personnels. Ensute l apparton des bblothèques graphques lbres comme OpenGL, VRML ou Java3D a smplfé consdérablement la complexté de la programmaton 3D. Toutes ces possbltés ont fat avancer les recherches sur des nouvelles approches de vsualsaton des systèmes complexes car l devent plus facle aux laboratores d accéder aux dspostfs permettant d expérmenter les technologes 3D. 67

70 Etat de l art 68

71 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes Chaptre 2 : Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes Ce chaptre est consacré à l étude des facteurs essentels pour une bonne vsualsaton de systèmes complexes et les dfférentes technques qu peuvent rédure les efforts cogntfs nécessares au processus de leur compréhenson. Il se dvse en quatre sectons, la premère se propose d étuder les facteurs qu peuvent favorser l effcacté d une représentaton afn d offrr une vue d ensemble du système à étuder. La deuxème secton est consacrée aux études des technques qu permettent d explorer le système à étuder et d accéder ans rapdement aux détals des nformatons. Nous proposons, dans la trosème secton, un tableau récaptulatf résumant toutes les caractérstques des outls selon les dfférents facteurs que nous allons étuder. Nous termnons à la quatrème secton par les leçons que nous pouvons trer de ces études. Nous avons pu remarquer, à travers les dfférents outls présentés, la varété des technques de représentaton utlsées dans la vsualsaton de réseaux nformatques et de télécommuncatons. Sans les avancées technologques, les dfférents systèmes et les technques de vsualsaton 2D et surtout 3D n auraent probablement pas connu les succès dont nous proftons actuellement. Cependant ces mêmes technologes sont auss les facteurs de la complexté de la structure des systèmes actuels, non seulement par les caractérstques des données que les dfférentes ressources génèrent mas auss par la performance de ces ressources. Le vra déf dans l admnstraton de tels systèmes est la durée nécessare à l analyse et à l nterprétaton de chaque événement généré par les ressources avant de prendre une décson adéquate afn d assurer le bon fonctonnement du système. Depus quelques années la vsualsaton a attré des attentons partculères et est consdérée comme une nouvelle approche qu permet d effectuer effcacement les dfférentes tâches de geston des systèmes complexes. Nous avons pu remarquer auss, au premer chaptre, que le domane de l admnstraton de réseaux est un domane très large dont les tâches de geston sont complexes. A cause de cette complexté, l n exste pas actuellement un outl d admnstraton de réseaux qu permet d effectuer totalement toutes les tâches de geston. Chaque outl proposé par les socétés de développement de logcel ou par les laboratores de recherche essae de proposer des technques ou des approches pour un domane de geston partculer. La seule caractérstque partagée par la plupart des outls d admnstraton de réseaux 69

72 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes développés ces dernères années est l utlsaton des technques de vsualsaton dans l analyse de la structure des systèmes et des événements générés par ses éléments. Evaluer la performance de ces outls est une tâche très dffcle d autant plus qu ls sont basés sur des technques de vsualsaton auss dffcles vor mpossble à évaluer de façon absolue [Hascoët, 2003]. En effet, s on se réfère à la défnton la plus pertnente du terme vsualsaton d nformaton selon laquelle l s agt d outls pour faclter le processus de compréhenson d un système ou d un phénomène, alors l est dffcle de savor quelle parte de l applcaton de vsualsaton a réellement adé dans l accomplssement d une tâche. Certes certans aspects des applcatons de vsualsaton peuvent être évalués car ls sont quantfables dans le sens où l on peut comparer deux applcatons selon leur rapdté ou selon leur capacté à affcher un certan volume de données. Par exemple, une applcaton de rendu peut être évaluée selon sa rapdté ou selon la qualté d affchage, mas l n exste pas encore actuellement de crtères qu permettent d évaluer unversellement et de façon absolue l effcacté d une applcaton de vsualsaton. Une méthode que l on peut adopter pour évaluer l effcacté d une applcaton de vsualsaton est l étude du pourcentage d utlsateurs qu sont satsfats ou non de l apport de l applcaton dans la compréhenson d un système. Pour cela, les tests utlsateurs peuvent être plus rgoureux, plus précs et dovent permettre de savor non seulement la satsfacton des utlsateurs mas de savor auss s l exste ou non de réels avantages obtenus dans l accomplssement d une tâche partculère [Munzner, 2000]. Cependant, malgré la dffculté de l évaluaton des technques de vsualsaton l exste de nombreux travaux qu essaent de défnr certans facteurs et technques qu peuvent favorser l effcacté de la vsualsaton des systèmes complexes en partculer les réseaux nformatques. Les avancées technologques réalsées ces dernères années au nveau matérel et logcel ont perms de créer des nterfaces graphques ntutves permettant de rédure consdérablement les efforts nécessares à la vsualsaton des systèmes complexes. L objectf prncpal des outls de vsualsaton est de trouver des moyens qu permettent de rédure la complexté vsuelle d une représentaton graphque et d amélorer la percepton humane d un système tout en offrant des possbltés d nteracton avec l affchage [Xao, 1992]. Selon les tâches couvertes par la vsualsaton, les technques utlsées peuvent être dvsées en tros catégores : la présentaton, l analyse exploratore et l analyse confrmatve. 70

73 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes La présentaton : c est la premère caractérstque de la vsualsaton de données car la présentaton consttue la premère étape du processus d analyse vsuelle d une représentaton graphque. Les technques proposées dans la présentaton dovent permettre alors aux utlsateurs de vor et de comprendre faclement la structure des données et le concept que ces données représentent. Un exemple des technques les plus utlsées dans la présentaton d nformatons est la représentaton graphque [Rober, 2000] : «Graphcs are a mean to dsplay facts about the data n a way that others can see and understand the underlyng structure and the hypothess about the data». L analyse exploratore : elle caractérse le deuxème aspect de la vsualsaton de données. En effet, certanes caractérstques mportantes des nformatons ne sont pas mmédatement présentes dans l affchage, donc l est nécessare d utlser des technques qu permettent de les mettre en évdence afn de meux appréhender le concept du système à étuder. L analyse exploratore défnt donc l ensemble des technques qu permettent de résoudre vsuellement des problèmes logques par l dentfcaton des relatons entre les données et leurs proprétés. Une des technques les plus effcaces dans l exploraton de données est l nteracton car elle permet non seulement de navguer à travers la structure des données mas elle permet auss à l utlsateur de partcper dans l analyse du système à étuder au leu de rester comme un smple observateur. L analyse confrmatve : l s agt d une autre caractérstque de la vsualsaton de données. Pour faclter la vérfcaton de certanes hypothèses fates sur des données, les technques de vsualsaton sont parfos plus effcaces par rapport aux représentatons textuelles. Par exemple, l est plus facle d nterpréter des données dont les caractérstques sont affchées sous forme de graphe ou sous forme de dagramme. Ans, les technques de vsualsaton sont très souvent utles pour confrmer ou rejeter des hypothèses fates sur des données. Notre objectf dans cette thèse est d étuder l apport de certanes technques de vsualsaton telle que les technques de la vsualsaton 3D dans l admnstraton de systèmes complexes. Par conséquent, nous nous ntéressons plutôt aux deux premères catégores des technques de vsualsaton afn de proposer des outls permettant de vsualser effcacement la structure des systèmes complexes et d dentfer faclement les relatons entre les données. 71

74 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes Il exste de nombreux travaux qu essaent de proposer des prncpes qu permettent de savor pourquo et comment un outl de vsualsaton apporte réellement des avantages dans la compréhenson d un système ou d un phénomène réel. Ces dfférents prncpes servent de drectve dans la concepton d une représentaton vsuelle afn que n mporte qu pusse comprendre faclement la structure des données et les dées qu elles communquent. Shnederman [Shnederman, 1996] a résumé le prncpe général pour une bonne vsualsaton d nformaton avec son célèbre mantra : The Vsual Informaton Seekng Mantra s: Overvew frst, zoom and flter, then detals on demand qu on peut tradure largement par : fournr tout d'abord une vue d'ensemble, pus zoomer, fltrer et enfn détaller à la demande. Ce précepte explque en fat que la percepton vsuelle de l être human est orentée tout d abord vers la vue globale d une scène ou d une représentaton avant de s ntéresser aux détals. Cette caractérstque de la percepton vsuelle humane a été démontrée auss par les travaux de [Myers, 2000] et est explotée par la plupart des technques de vsualsaton d nformatons. En effet, représenter un grand volume de données sur un espace auss rédut qu une feulle de paper ou un écran d ordnateur personnel relève d un grand déft. Sute à cette contrante, toutes les capactés vsuelles de l homme ont été étudées. Afn d établr les facteurs essentels pour une vsualsaton effcace, Bénédcte Le Grand [Le Grand, 2001] exprme le précepte de Shnederman en terme de représentaton et de navgaton tands que Ulrka Wss & Davd Carr [Wss, 1998] l nterprètent par tros aspects cogntfs tels que l attenton, l abstracton et la corrélaton. 2.1 Les facteurs de la représentaton Selon le mantra de la recherche vsuelle d nformatons, la premère étape du processus de la vsualsaton est d offrr une vue globale ou d ensemble du système à étuder. Cette étape est très mportante car elle permet d ntrodure le concept du système ou du phénomène à étuder. Les technques à utlser pour représenter les nformatons dovent permettre aux utlsateurs d dentfer mmédatement le prncpal centre d ntérêt du système à étuder afn de pouvor détermner par où commencer l exploraton. En d autres termes, la représentaton graphque dot permettre ntalement de comprendre la généralté du système à étuder pour que l utlsateur pusse formuler certanes hypothèses qu l va vérfer par la sute par d autres moyens. Nous allons détaller c-après les dfférents éléments qu on dot prendre en compte pour offrr une bonne qualté de représentaton. 72

75 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes Le chox de métaphore La vsualsaton est l utlsaton des technques pour représenter vsuellement les mages mentales que nous formons à propos d une nformaton. Pour cela, on utlse des éléments graphques comme des syntaxes vsuelles pour représenter la sémantque d une nformaton. On appelle codage vsuel l ensemble de tous les éléments graphques à utlser pour représenter une nformaton [Munzner, 2000]. La combnason de pluseurs codages vsuels dans un espace d affchage forme une métaphore vsuelle complète. Le processus de créaton d une métaphore vsuelle commence par le chox des codages vsuels à utlser. En général, les prncpaux codages vsuels les plus utlsés pour représenter une nformaton sont la talle, la longueur, la largeur, la couleur (lumnosté, tonalté, saturaton), la texture, la courbature, l angle et la forme. A partr de ces éléments, on crée des représentatons vsuelles pouvant avor une forme smple ou complexe selon la qualté de l affchage recherchée, mas ces éléments n ont pas la même effcacté selon le type de données à vsualser (numérque : des données dont on peut évaluer la valeur quanttatve, ordnal : données non numérques mas qu ont des ordres conventonnels comme les jours de la semane, nomnal : données qu on ne peut pas évaluer numérquement et qu n ont pas d ordre conventonnel comme les noms de personnes ou de fruts). En effet, s la talle et la longueur sont effcaces pour coder vsuellement des données quanttatves (exemple volume de flux de données, charge de processeurs, etc.), elles sont par contre napproprées pour des données nomnales ou ordnales. Autre exemple, la tonalté de couleur est très effcace pour dstnguer des données nomnales mas elle est mons effcace pour des données quanttatves. L effcacté des codages vsuels dépend donc du type d nformaton à représenter [Macknlay, 1986]. Selon la connassance de l utlsateur, l exste des domanes qu lu sont famlers ou non, donc l est nécessare de consdérer cet aspect avant de chosr une métaphore adéquate pour mnmser les efforts cogntfs nécessares à la compréhenson du système à étuder. Le terme famlarté a un sens très mportant dans le chox d une métaphore car l permet de faclter l dentfcaton des dfférents éléments du système à étuder et leurs relatons. Par exemple, la représentaton d un PC (Personnal Computer ou ordnateur personnel) sous forme d un écran en tros dmensons peut être consdérée par une personne qu n a jamas vu un PC comme un poste télévseur. Mas l est plus facle d explquer à cette personne qu l s agt d un PC que s ce derner a été représenté par un smple rectangle. La concepton d une métaphore peut donc amener à la mse en œuvre de deux domanes, le domane cble (dans cet exemple l nformatque) et le domane dont l utlsateur est famler (le méda et le poste télévseur). 73

76 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes Dans la plupart des cas des systèmes complexes tels que les réseaux nformatques, l est cependant dffcle de penser qu une personne sans compétence en réseau va effectuer les tâches d admnstraton. Comme les dfférents éléments de tels systèmes ont souvent une exstence physque réelle, l est mportant de chosr des formes famlères qu permettent de comprendre faclement le système à étuder afn d amélorer la lsblté de sa structure. En d autres termes, le chox d une métaphore occupe une place mportante dans la présentaton d une nformaton car des métaphores ben choses offrent des moyens d ntrodure aux utlsateurs les concepts du système à étuder par l analoge avec les objets du monde réel dont ls sont famlers [Newman, 1995]. Le chox de métaphore dans la représentaton vsuelle d un système peut alors être utlsé comme paramètre pour évaluer l effcacté d une vsualsaton. En effet, l est plus facle de savor s les technques de présentaton proposées par un outl sont plus effcaces que celles proposées par d autres outls. Pour cela, l sufft juste de fare évaluer successvement par des utlsateurs les outls destnés à la vsualsaton d un même système. Offrr une vue d ensemble d un système veut dre non seulement proposer des métaphores vsuelles pour représenter effcacement les données mas les métaphores utlsées dovent auss mettre en évdence la structure du système. Cependant, affcher la structure d un système complexe sur un espace rédut est une tâche très dffcle. Et c est la rason pour laquelle la plupart des outls de vsualsaton 2D s ntéressent plutôt au postonnement spatal des dfférents éléments qu à leurs formes. Nous pouvons constater cet aspect de la vsualsaton avec les outls de vsualsaton 2D de réseaux dont les dspostfs sont souvent représentés par des formes smples telles que des rectangles ou des cercles. Alors que des efforts mportants ont été consacrés pour trouver des technques qu permettent de dsposer effcacement sur un affchage les éléments d un système. En effet, les éléments graphques ne facltent en ren la compréhenson s ls ne sont pas ben dsposés dans l affchage et s leurs relatons ne sont pas mses en évdence. Le postonnement spatal des éléments graphques est alors consdéré comme la couche la plus mportante de la vsualsaton de données, et nous allons porter une attenton partculère à cet aspect dans la parte suvante car l consttue un facteur fondamental dans le chox de métaphore La dsposton spatale La tâche la plus dffcle dans la vsualsaton d nformaton est de trouver des moyens qu permettent de dsposer effcacement les éléments graphques afn d dentfer faclement la 74

77 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes structure du système à étuder. Ce problème est encore accentué par l augmentaton ncessante du volume de données dû à la présence de plus en plus domnante de l nformatque dans la ve quotdenne. S le problème de l admnstraton des systèmes complexes état auparavant le manque d nformaton relatves aux ressources à gérer, actuellement le grand déft résde dans l explotaton du volume de données générées par ces ressources. En effet, l abondance des nformatons de geston ne veut pas dre automatquement la dsposton évdente des données exactes permettant d effectuer effcacement les tâches de geston. La tâche prortare dans la vsualsaton de tels systèmes est donc de trouver des technques qu permettent de répartr effcacement les dfférents éléments dans l affchage tout en tenant compte des relatons structurelles entre eux. En d autres termes, les éléments composant le chox de métaphores dans la représentaton graphque peuvent être représentés par deux couches ben dstnctes (Fgure 1.34). La couche de base, qu est la couche la plus mportante, résume les technques de dsposton des éléments graphques dans l affchage. Elle est mportante non seulement parce qu elle permet de mettre en évdence les relatons entre les données mas elle permet auss de défnr comment dovent être dsposés les éléments graphques pour faclter la compréhenson de la structure du système à étuder. En effet, selon la dsposton des éléments graphques, on peut comprendre faclement, même s aucun len n est tracé, s l exste une quelconque relaton sémantque entre deux objets. Par exemple, affcher deux d objets très proches l un contre l autre permet d magner qu l exste une relaton entre eux, tands que s ls sont élognés alors on a l mpresson qu ls ne partagent aucune relaton. La deuxème couche permet de chosr les codages vsuels à utlser pour représenter les éléments et leurs relatons. Tous les éléments graphques comme les ponts, les lgnes, les formes complexes créées à partr des codages vsuels peuvent être dsposés de manère ben adaptée pour former une bonne métaphore vsuelle. Certes, le processus de créaton d une représentaton vsuelle commence par le chox des éléments graphques pour dentfer une ressource, mas la parte la plus mportante dans ce processus est l organsaton de ces éléments dans l espace d affchage. En général, la représentaton vsuelle la plus utlsée dans la vsualsaton des systèmes complexes est le graphe car l permet d étuder faclement les relatons structurelles entre les dfférents éléments en représentant les ressources à gérer par des formes smples ou complexes et leurs relatons par des lens. Nous allons étuder en détals l mportance de graphes dans la 75

78 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes vsualsaton de systèmes complexes tels que les réseaux nformatques dans le chaptre suvant. Couche secondare Créaton des codages vsuels Couche de base Dsposton graphque Fgure 2.1 : Dfférentes couches de la représentaton graphque Une autre caractérstque des technques de présentaton dont l faut tenr compte pour offrr la vue globale dans la vsualsaton est la quantté d nformaton à fournr aux utlsateurs. En effet, l n est pas nécessare de présenter mmédatement tous les détals, la premère étape de la vsualsaton dot permettre unquement de connaître la généralté du système à étuder. En effet, présenter en même temps tous les détals de la vsualsaton peut saturer l affchage, et cela peut entraîner le désntérêt de l utlsateur car l sera oblgé de fare encore plus d efforts pour comprendre la structure et les fonctonnaltés du système à étuder. Une fos que les centres d ntérêt du système à gérer sont dentfés, les utlsateurs commencent à formuler des hypothèses qu ls peuvent par la sute vérfer avec les dfférents détals. Mas avant cela, les technques de vsualsaton dovent déjà permettre d examner certanes caractérstques du système. Il exste pluseurs technques qu permettent de mettre en évdence ces caractérstques, souvent dénommées technques de transformaton de vues Les relatons entre les données Il exste pluseurs technques d affchage selon le type et les caractérstques de données à vsualser, mas le moyen le plus smple pour chosr la melleur technque d affchage qu peut correspondre au système ou au phénomène à étuder est de poser la queston suvante : s there an nherent relaton among the data elements to be vsualzed? [Herman, 2000] qu on peut tradure largement par : exste-t-l des relatons nhérentes entre les données à vsualser? S la réponse à cette queston est non alors l s agt de données non structurées donc la mse en évdence de leurs relatons n est pas mportante, par contre s la réponse est ou, alors les technques d affchage à utlser dovent mpératvement tenr compte des relatons entre les 76

79 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes données pour faclter la compréhenson de la structure du système à étuder. Ans, comme dans la plupart des systèmes complexes les données sont souvent sémantquement structurées, l est alors mpératf de mettre en évdence leurs relatons hérarchques. Pour cela, l sufft de dessner des lens entre les éléments graphques afn de représenter les relatons entre les dfférentes ressources. Grâce à ces lens, on peut non seulement connaître le rôle de chaque ressource du système à étuder mas auss connaître faclement la crculaton des flux de données entre ces ressources. Enfn, la connassance de la hérarche des éléments affchés sous forme d un arbre ou d un graphe permet de connaître par où commencer la navgaton afn d obtenr tous les détals nconnus. Quelque sot les technques de la vsualsaton utlsées, 2D ou 3D, l affchage de la structure hérarchque des données est très mportant, et s cet aspect n est pas prs en compte par l outl de vsualsaton alors son effcacté ne sera pas optmale Les technques de transformaton de vues Quelque sot le type d nformaton à vsualser, le problème commun de la concepton d outl de vsualsaton est le rapport entre l espace d affchage et le volume de données. Actuellement, le contraste apporté par l évoluton technologque fat que l écran des dspostfs pour affcher les données devent de plus en plus rédut alors que le volume de ces données ne cesse d augmenter. Ce problème est résumé par [Robert, 2001] par «Too much data, too lttle dsplay area». Les technques suvantes sont presque systématquement mplémentées par les outls de vsualsaton pour résoudre ce genre de problème. Le zoom : c est une technque qu consste à grossr ou à rédure l affchage. Cette technque est proposée presque par tous les outls de vsualsaton, par exemple elle est très utle et effcace dans le domane de la cartographe. Il exste deux varantes de zoom : le zoom géométrque qu permet, en agrandssant ou en rétrécssant, d ajuster l mage sur l écran et le zoom sémantque qu permet de montrer certans détals d une nformaton lorsqu on s approche d une zone partculère. Toutes les bblothèques graphques 3D développées ces dernères années proposent automatquement l mplémentaton de cette technque, mas elle nécesste par contre certans moyens pour l utlser dans la vsualsaton 2D. Les nterfaces graphques 2D qu ntègrent le mécansme de zoom sont souvent appelées nterfaces 2.5D. Le seul nconvénent de la technque de zoom géométrque est qu elle ne permet que de grossr ou de rédure l affchage tout enter. Les bblothèques graphques développées récemment 77

80 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes (par exemple Java3D, VRML) ont résolu ce problème en permettant de zoomer sur un élément quelconque dans l affchage. De nouvelles technques de zoom ont été développées par ([Björk, 1998], [Holmqust, 1998], [Björk, S. 2000]). Une de ces technques s appelle «flp zoomng» et s applque surtout dans la vsualsaton des données numérques ou ordnales. En fat, elle permet de mettre en évdence une donnée par rapport aux autres tout en tenant compte de leur ordre (Fgure 2.2). Fgure 2.2 : Zoom avec la technque flp zoom Dans cette fgure, les éléments ms en évdence sont les valeurs numérques 2 et 6, et nous remarquons que l ordre de tous les éléments affchés est ben gardé. La dsposton des éléments s adapte automatquement selon l élément ou la valeur à zoomer. La translaton et la rotaton : Ces deux méthodes permettent de mettre en évdence certans détals de l affchage. En déplaçant ensemble tous les éléments de l affchage (de gauche à drote ou de haut en bas), on peut mettre en évdence les éléments qu sont dsposés au centre de l affchage. En tros dmensons, la rotaton permet de combler le problème d occluson. La rotaton sur les tros axes (x, y, z) est très utle pour affcher toutes les relatons entre les éléments graphques. Le contexte et le pont d ntérêt : l objectf de cette méthode est de garder la vue globale du système à étuder tout en permettant aux utlsateurs de se focalser sur une zone ou un élément partculer de l affchage. Par rapport au mécansme de zoom, cette méthode offre des 78

81 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes avantages plus ntéressants car seuls le ou les éléments focalsés sont ms en évdence tands que les autres éléments restent à leurs postons. Les deux technques qu proposent ces méthodes sont Fsheye Vew (vue oel de posson) et Magc lens (loupes magques). La technque de Fsheye Vew [Sarkar, 1992] consste à déformer l affchage en élargssant le centre d ntérêt avec plus de détals tands que le reste de l affchage est montré d une façon rédute et mons détallée. Tous les objets au centre de l objectf de la lentlle de type œl de posson sont donc agrands consdérablement alors que les autres objets sont affchés de plus en plus petts lorsqu ls sont élognés du centre. L effet mmédat de cette optque est qu on s ntéresse plus aux objets affchés au centre de l affchage qu aux objets dans la pérphére (Fgure 2.3). Magc Lens [Ba, 1993] fonctonne à peu près de la même manère que Fsheye Vew, mas la vue par œl de posson permet de garder le contexte tout en mettant en évdence au centre d affchage un élément partculer alors que la loupe magque permet d affcher par grossssement tous les éléments qu se trouvent aux alentours d une zone et qu peuvent être cachés sute à une superposton. La loupe magque fonctonne donc comme une loupe réelle pour fare apparaître certans détals dans un document. D autres technques ont des smlartés avec Fsheye Vew et Magc Lens, par exemple les Perspectve Wall (mur en perspectve) de Macknlay [Macknlay, 1991] et Document Lens (lentlles à document) de Robertson [Robertson, 1993]. La technque proposée dans Perspectve Wall permet auss à l utlsateur de se concentrer sur un secteur partculer de l affchage, tout en mantenant le contexte. Cette technque consste à vsualser des éléments représentés en 2D sur une structure 3D. L avantage de PerspectveWall par rapport à Fsheye Vew est qu elle ne souffre pas du problème de surcharge d nformaton car elle ne se base pas sur le postonnement des éléments graphques pour accentuer le nveau de détals. 79

82 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes Fgure 2.3 : Affchage par fsheye vew Son prncpe consste juste à vsonner à tout moment une zone de données tands que les zones adjacentes sont plées de chaque côté. Par rotaton autour d un axe (généralement l axe des y), le mur tourne pour amener la prochane zone au centre et le contexte se met à jour automatquement (Fgure 2.4). Comme son nom l ndque, Document Lens est un ensemble de technques destnées à la vsualsaton de documents. Les documents sont dsposés sur une grlle dans l ordre de la lecture et affchés en mnature sous forme d magettes de pages (Fgure 2.5). Dans la vue globale, les dfférents documents ne sont pas lsbles mas leur aspect en mnature permet d dentfer le document recherché. En pontant sur l ndexe du document recherché, la grlle se transforme pour postonner ledt document au centre de l affchage et le rend ans lsble. Le document recherché devent lsble tout en conservant le contexte des autres documents. Avec les technques comme Document Lens et Perspectve Wall l est plus rapde d extrare certans détals de la vsualsaton. Par contre Document Lens nécesste un espace plus mportant pour affcher le document recherché. Certes ces deux technques sont applquées dans des domanes qu n ont aucune smlarté avec les réseaux nformatques, par contre elles donnent des dées ntéressantes pour l analyse de la vue globale d un système complexe. 80

83 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes Fgure 2.4 : Le perspectve wall On peut magner par exemple d applquer Fsheye vew ou Perspectve Wall pour vsualser la structure d un réseau nformatque. D alleurs Fsheye Vew a déjà été utlsé dans la vsualsaton de réseaux de télécommuncaton. Fgure 2.5 : Vsualsaton de document avec document lens 81

84 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes Les fltres : l s agt des technques qu permettent d amélorer la qualté d affchage partculèrement mportantes lorsqu on manpule une grande quantté d nformatons. En effet, la vue globale peut être mpossble quand le volume de données est devenu trop mportant ou lorsque ces données ont des caractérstques trop complexes pour être affchées sur un pett espace d affchage. Dans ce cas, l est nécessare de fournr des moyens qu permettent de fltrer les nformatons ou les sous-ensembles d nformatons qu ntéressent l utlsateur. Selon la connassance de l utlsateur du domane à étuder, les fltres peuvent être formulés avant l affchage pour ne fare apparaître que les éléments ntéressants. En postonnant les fltres après l affchage, on permet aux utlsateurs d extrare des nformatons à partr du centre d ntérêt qu ls dentfent dans la vue globale. Il exste pluseurs manères de poser des fltres. On peut mettre à la dsposton des utlsateurs une nterface textuelle sous forme de panneau de contrôle qu permet de formuler des requêtes fltrant les nformatons ntéressantes correspondant à certans crtères ben précs, et l affchage sera rafraîch selon les nformatons retournées par les requêtes. Cette méthode est très pratque et ntégrée dans la plupart des outls de vsualsaton, mas nteragr drectement avec les éléments affchés paraît plus effcace car l utlsateur constate drectement le résultat de son acton [Shnederman, 1997]. Par exemple, on peut utlser des méthodes qu permettent de sélectonner graphquement à l ade d un ponteur de la sours un groupe d éléments pour générer ensute un affchage centré unquement sur ces éléments. Un autre moyen qu permet de fltrer vsuellement les données est l utlsaton de codages vsuels tels que la couleur, la forme, la texture ou même l anmaton. Par exemple, en codant un objet ou un groupe d objet par une couleur spécale, par une forme partculère ou par une texture, on permet de le dstnguer par rapport aux autres. De même, affcher très proche les objets qu partagent des caractérstques communes permet de les dstnguer les uns des autres. Toutes les technques que nous venons d exposer sont très utles pour dentfer les prncpaux centres d ntérêt d un système à étuder. Le prncpe de base de ces technques est de permettre à l utlsateur de se concentrer sur un élément partculer dans l affchage. Pour des objets statques l attenton humane est par nature toujours orentée vers le centre de l affchage. C est pourquo les technques que nous venons d étuder sont toutes basées sur ce prncpe. Ben qu elles ne permettent pas d accéder drectement aux détals de l affchage, elles permettent déjà d ntrodure le concept du système ou du phénomène à étuder par la 82

85 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes manpulaton de l ensemble des éléments graphques. A partr des connassances acquses dans cette étape, les utlsateurs pourront ensute s ntéresser réellement à l exploraton détallée de la vsualsaton afn de vérfer les hypothèses qu ls formulent à propos du système. Nous allons étuder dans la secton suvante l mportance de l exploraton de données dans la vsualsaton d nformaton. 2.2 Les facteurs d exploraton Souvent on juge la qualté d une vsualsaton selon l effcacté des technques d exploraton qu elle propose. Sachant qu l n est pas nécessare n ntéressant d offrr tous les détals dans la vue globale afn de faclter l dentfcaton des prncpaux centres d ntérêt du système à étuder, les technques d exploraton sont mportantes pour permettre aux utlsateurs d accéder rapdement aux nformatons nconnues. En fat, un autre objectf mportant de la vsualsaton est de permettre la recherche vsuelle d nformatons pour résoudre graphquement des problèmes ou confrmer certanes hypothèses fates sur les données. Pour cela les technques utlsées dans la navgaton dovent permettre de communquer aux utlsateurs toutes les caractérstques de l nformaton. En vsualsaton, les termes navgaton et exploraton désgnent à peu près les mêmes tâches. Ils se dstnguent unquement selon la dmenson de l espace de présentaton. Dans un espace à deux dmensons on utlse souvent le terme exploraton pour désgner la recherche vsuelle de données à travers la structure du système, tands que le terme navgaton est plutôt utlsé quand on étude des nformatons représentées en tros dmensons. En effet, l utlsaton du terme navgaton est nfluencée par la possblté de déplacement à l ntéreur de la structure d un système représenté en tros dmensons. Désormas, nous allons utlser le terme navgaton pour désgner les tâches d exploraton dans la vsualsaton. Permettre à l utlsateur de navguer dans la scène afn d extrare les nformatons qu l ntéressent est en quelque sorte lu donner les moyens de contrôler le système à étuder. Pour cela, les moyens utlsés dovent permettre l nteracton avec les données à vsualser car l est plus facle de comprendre la structure d un système quand on peut la manpuler [Hubona, 1997]. En effet, pour être réellement effcace, la vsualsaton dot être nteractve car l être human a cette hableté d extrare des nformatons dans un envronnement qu l contrôle parfatement et actvement par rapport à un envronnement dont l reste un smple observateur passf [Hascoët, 2003]. L utlsateur peut meux comprendre la nature et la structure des données en nteragssant avec celles-c. Une navgaton nteractve peut être caractérsée par le 83

86 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes changement du pont de vue ou le changement de poston d un objet dans la scène. En tros dmensons par exemple, on peut fare des rotatons de la scène sur les tros axes, on peut auss déplacer les objets dans toutes les drectons. L objectf de la navgaton est donc de permettre d examner en détals l affchage afn de fare apparaître les nformatons non vsbles dans la vue globale. Dans le cas des données représentées sous forme de graphe ou ayant une structure en arbre, on peut mettre en place des mécansmes qu permettent l extenson d une branche ou l élagage de certans détals pour meux vsualser les autres. Certans paramètres cependant dovent être prs en compte pour assurer la qualté de navgaton. En effet, le changement de pont de vue ou le déplacement d un ou pluseurs objets dans la scène a comme effet le rafraîchssement de l affchage. S la durée de rafraîchssement est trop mportante alors tout changement peut être perçu comme des sauts de l mage. Ce genre de problème apparaît souvent dans la vsualsaton de données de grande talle. Deux moyens permettent de résoudre ce problème, sot on augmente la ressource matérelle (capacté mémore, etc.) du dspostf d affchage, sot on utlse des algorthmes d affchage plus effcaces. Cette dernère soluton paraît la plus approprée pour assurer la fludté de changement durant la navgaton dans la scène. En résumé, une navgaton ben adaptée permet à l utlsateur d accéder rapdement aux nformatons ntéressantes qu ne sont pas apparues mmédatement dans la vue globale. Elle permet auss à l utlsateur de construre en quelque sorte une carte cogntve du système à étuder afn qu l pusse trouver le parcours le plus rapde pour accéder aux détals de l affchage L hstorque de parcours Un des problèmes souvent rencontrés dans la navgaton dans un système complexe est la désorentaton quand le volume de données devent assez mportant. En général, la premère réacton des utlsateurs quand ls perdent le repère dans une scène est de recommencer totalement la navgaton. Cette méthode n est pas très effcace car elle oblge les utlsateurs à refare tout le chemn déjà parcouru ou à re-examner les détals connus précédemment, ce qu peut être très gênant et très ennuyant. Pour évter ce genre de problème, on peut mettre en place des mécansmes qu permettent de sauvegarder le parcours de l utlsateur tout au long du processus de navgaton. Tous les stes web par exemple ntègrent le mécansme de retour en arrère qu permet de revenr sur les dernères pages vstées. Ce qu est très pratque pour 84

87 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes retrouver des nformatons qu on vent de vsualser car l est mpossble de mémorser tous les chemns effectués. Dans le cas d un système représenté sous forme d un graphe, on peut affcher dans une pette fenêtre par exemple une cope en mnature de ce graphe avec les dfférents ponts montrant les postons successves de l utlsateur. Un clc sur un pont partculer dans cette fenêtre, rafraîcht la fenêtre prncpale et la vue correspondante est réaffchée. 2.3 Tableau récaptulatf Nous allons proposer tros tableaux récaptulatfs selon les technques de vsualsaton proposées, le premer tableau résume les caractérstques des outls de vsualsaton 2D, le deuxème trate des outls 3D et le trosème et derner tableau est destné aux outls qu utlsent les mondes 3D. Dans ces tableaux, nous désgnons par forme smple un élément de prmtve graphque tel qu un rectangle, un cercle, une sphère, etc. Tands qu une forme famlère est une forme plus ou mons complexe pour représenter un objet par sa forme réelle. Tableau 1.1 : les outls de vsualsaton 2D Outls Vue Métaphore Zoom Fltre Détals à Hstorque globale la demande SeeNet Supportée Géographque/ Supporté Supporté Panels de Non Forme 2D smple contrôle Mapnet Supportée Géographque/ Supporté Supporté Panels de Non Forme 2D smple contrôle Traffc Supportée Géographque/ Supporté Supporté Supporté Non Flow Map Forme 2D smple Otter Supportée Trop smplste Supporté Supporté Graphque Non GxSNMP Supportée Forme 2D famlère Supporté Non Peu de détals Non 85

88 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes HPOpen Supportée Forme 2D Supporté Supporté Graphque Ou Vew famlère et paneau contrôle NAM Supportée Forme 2D Supporté Non Supporté Non smple OPNET Supportée Forme 2D Supporté Supporté Supporté Ou famlère Panemoto Supportée Forme 2D Supporté Supporté Supporté Non famlère VsAlert Supportée Forme 2D Supporté Supporté Supporté Ou smple Grlle Supportée Tableau Supporté Supporté Supporté Ou Tableau 1.2 : les outls de vsualsaton 3D Outls Vue Métaphore Zoom Fltre Détals à la Hstorque Globale demande SeeNet3D Supportée Globe/ Supporté Supporté Très peu Non forme 3D smple NSFNET Supportée Géographque/ Supporté Supporté Supporté Non forme 3D smple Flodar Supportée Globe/forme Supporté Supporté Supporté Non smple H3Vewer Supportée Forme 3D smple Supporté Supporté Supporté Non Cchld Supportée Forme 3D smple Supporté Supporté Supporté Non Cybernet Supportée Forme 3D smple Supporté Supporté Supporté Non Patrol Vsuals Supportée Forme 3D famlère Supporté Supporté Supporté Ou 86

89 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes Tableau 1.3 : les outls qu utlsent les nterfaces du monde 3D Outls Vue Métaphore Zoom Fltre Détals à la Hstorque Globale demande Brtsh Supportée Forme 3D Supporté Supporté Supporté Non Telecom famlère VENoM Très peu Forme 3D Supporté Supporté Supporté Non famlère Cybernet Supporté Forme 3D Supporté Supporté Supporté Non famlère Flatland Très peu Non Supporté Supporté Supporté Non famlère CoRGI Supporté Non famlère Supporté Supporté Très peu Non On peut remarquer faclement que la plupart des outls que nous avons étudés ntègrent tous les prncpales actvtés de la vsualsaton. La seule caractérstque qu est souvent non ntégrée est l hstorque de parcours, et en général ce sont les outls commercaux qu le proposent. 2.4 Concluson du chaptre Nous avons présenté dans ce chaptre les facteurs essentels pour une bonne vsualsaton de données. On ne peut pas dre qu l n exste pas d autres facteurs qu peuvent amélorer la qualté d une vsualsaton de données, mas respecter ceux que nous avons étudé permet déjà de concevor des outls effcaces pour la vsualsaton de tout type d nformaton. Selon le type du système, du phénomène ou de l événement à vsualser l exste des technques de vsualsaton plus ou mons adaptées. Nous pensons qu l est plus facle de comprendre la structure des systèmes complexes tels que les réseaux nformatques quand elle est représentée sous forme de graphe. Cter dans l état de l art tous les outls de vsualsaton de réseaux nous paraît une tâche mpossble, d alleurs non nécessare. Nous avons montré à travers ces outls la complexté des tâches de vsualsaton de réseaux et les dfférentes technques utlsées. Les dfférents 87

90 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes concepts et paradgmes proposés par ces outls prouvent encore la complexté des tâches d admnstraton de systèmes complexes tels que les réseaux nformatques. A cause de ce problème, on peut remarquer qu aucun outl de vsualsaton n arrve à couvrr toutes les actvtés d admnstraton de réseaux. Les laboratores de recherche et les socétés de développement de logcels proposent de nouvelles approches permettant d accomplr faclement les tâches sur un domane partculer. Satsfare exactement tous les crtères d une bonne vsualsaton s avère auss très dffcle. Les dfférents travaux et expérences réalsés dans la vsualsaton de données essaent de décrre une sorte de gude de concepton d un outl de vsualsaton des systèmes complexes afn d assurer l effcacté des technques proposées. Selon [Mazza, 2004], avant de chosr les technques de vsualsaton pouvant être effcace à un type de données, l exste cnq questons qu on dot prendre en consdératon : 1 Défnr le problème : On dot connaître tout d abord le système ou le phénomène qu on dot présenter ou les hypothèses fates sur les données qu on veut démontrer ou prouver. 2 La nature des données : Il faut auss savor le type des données à présenter : numérques, ordnales ou nomnales. 3 Le nombre de dmenson des données : Afn de chosr la technque de présentaton adéquate, l faut connaître auss le nombre de dmensons (attrbuts, proprétés) des données. En effet, l y a des données qu n ont qu un seul attrbut, donc on peut ben les présenter sous forme textuelle ou tableau. Par contre la plupart des données ont plus de 3 dmensons, donc l peut être plus facle de les représenter en tros dmensons. On peut auss utlser les technques de la réalté vrtuelle pour amélorer la percepton. 4 - La structure des données : Avant de chosr la métaphore à utlser, on dot chercher s l exste des relatons entre les données. Il exste des données de type lnéare (données qu on peut affcher sous forme d une table ou d une lste), temporel (dont les valeurs peuvent varer dynamquement dans le 88

91 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes temps). Il exste auss des données dont la poston géographque est mportante dans la compréhenson du système à étuder. Enfn, l faut savor auss s les relatons entre les données sont de type hérarchque qu on peut présenter sous forme d arbre ou de type réseau qu on peut présenter sous forme de graphe. 5 Le type d nteracton Selon le type des données à vsualser, on peut défnr à l avance s la représentaton graphque sera statque (par exemple tableaux ou lstes), transformable (on peut utlser les technques de transformaton de vue telles que le zoom ou les technques de contexte et pont d ntérêt) ou manpulable (les utlsateurs peuvent mettre des fltres avant et après l affchage). Tous les facteurs d une bonne vsualsaton d nformaton sont résumés à travers ces cnq questons. Au terme de la réflexon sur ces questons on peut donc décrre l effcacté des technques de vsualsaton qu peuvent correspondre à un système donné. Dans le chaptre suvant nous allons proposer nos contrbutons pour la vsualsaton de réseaux nformatques. Pour cela, nous allons proposer des technques d affchage de graphe dans un envronnement à tros dmensons. Et les comportements des éléments à gérer seront vsualsés à l ade d autres technques. 89

92 Les facteurs d une bonne vsualsaton de systèmes complexes 90

93 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques Chaptre 3 : Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques Nous allons étuder dans ce chaptre les dfférentes méthodes d optmsaton des algorthmes de graphe basés sur des modèles physques appelés force-attracton-répulson. La secton 3.1 ntrodut d abord le concept de graphe et son ntérêt dans la vsualsaton de données ans que ses domanes d applcaton. Nous parlons ensute à la secton 3.2 des deux catégores d algorthmes de graphe basés sur des modèles physques. La majeure parte de cette secton est consacrée aux dfférentes méthodes d optmsaton des algorthmes force-attractonrépulson. Ce chaptre se termne à la secton 3.3 par les conclusons que nous pouvons trer de ces études. 3.1 Le graphe Un graphe est un système de représentaton vsuelle basé sur le paradgme nœud-len dans lequel les nœuds représentent les éléments du système à étuder et les lens représentent les relatons entre ces éléments. Ben avant l apparton des outls nformatques, les graphes ont déjà été utlsés pour résoudre certans problèmes quotdens. Dans l objectf de faclter l analyse d un phénomène ou d un événement par exemple, ou afn d explquer à d autres personnes une stuaton réelle, on a souvent recours aux graphes pour représenter les nformatons et leurs caractérstques. Sachant qu l est dffcle de mémorser tous les processus de résoluton d un problème, en partculer quand celu-c devent assez complexe, on représente les éléments avec leurs caractérstques et leurs relatons sous forme de graphe. A partr du graphe réalsé on essae de trouver ensute des solutons ou de vérfer certanes hypothèses relatves au problème posé. Intalement, la représentaton par graphes a été utlsée partculèrement dans la cartographe pour créer des cartes géographques très utles par exemple dans la navgaton martme et dans la préparaton des stratéges mltares. Actuellement, la représentaton par graphes est applquée dans tous les domanes scentfques comme les bases de données, le développement de logcels, la concepton de crcuts électronques, etc. Dans la concepton et le développement de logcel par exemple, l archtecture d un logcel peut être vsualsée à l ade d un graphe orenté où les nœuds représentent les modules et les lens représentent les relatons entre eux [Petre, 2006]. La drecton de chaque len permet de comprendre la dépendance entre les modules et le 91

94 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques fonctonnement du logcel. Pour étuder la structure d une base de données, les graphes sont auss les melleurs moyens pour représenter les dagrammes enttés-relatons. De nombreux travaux ont auss montré qu l est plus facle d analyser la structure d un ste Internet quand elle est représentée par un graphe ([Hendley, 1995], [Shozawa, 1997]). En chme ou en bologe les graphes sont auss utlsés pour la représentaton de la structure des molécules [Harley, 1994]. L étude du comportement des ndvdus ou des groupes d ndvdus dans la socété peut auss être réalsée à l ade d une telle représentaton [Végas, 2004]. [Heer, 2005] propose un outl appelé Vzster pour la vsualsaton en lgne des relatons socales d un ndvdu à travers ses messages électronques (emal). Actuellement, en recherche d nformaton, les graphes sont de plus en plus utlsés pour faclter l analyse des résultats des requêtes. Assocés avec des technques d nteracton, les graphes permettent aux utlsateurs de navguer dans les données et d approfondr ans leurs connassances [Karouach, 2004]. En d autres termes, tout système ou phénomène dont on peut extrare la structure des données peut être étudé à l ade de la représentaton de graphes. Grâce aux technques d nteracton et d anmaton l devent de plus en plus facle d dentfer et d analyser des problèmes ou des dysfonctonnements dans un système représenté avec un graphe. Ce qu consttue l effcacté de cette représentaton car elle permet non seulement de comprendre la structure des nformatons mas elle permet auss d analyser les comportements de chaque élément. Tradtonnellement les graphes sont classfés selon des méthodes basées purement sur des théores mathématques, mas en général les caractérstques des lens entre les nœuds sont les melleures méthodes pour les dstnguer. En effet, s les lens entre les nœuds reflètent des relatons hérarchques de type père-fls entre les nœuds alors le graphe en queston se trouve dans la catégore des arbres. Ce type de graphe s adapte ben par exemple à la vsualsaton de la structure des fchers d un répertore ou d un système d explotaton. On peut auss utlser des arbres pour étuder la généaloge d un ndvdu. Tands que s on ne peut pas extrare des relatons hérarchques clares entre les nœuds alors le graphe à étuder se trouve dans la catégore de graphe général (general graph). Cette deuxème catégore de graphe correspond à certans types de problèmes car les nformatons ne sont pas toujours structurées purement de façon hérarchque. Par exemple les réseaux de télécommuncatons sont généralement structurés comme des graphes généraux. 92

95 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques Toujours selon les caractérstques des lens la deuxème catégore peut encore être scndée en deux avec les graphes orentés et les graphes non orentés. Les graphes orentés sont souvent utlsés pour la vsualsaton de flux de données. Et on utlse les graphes non orentés dans la vsualsaton des systèmes dont l n exste pas d échanges d nformatons entre les éléments ou les crcuts d nformatons ne sont pas nécessares. Par exemple la structure d une base de données est en général représentée sous forme d un graphe non orenté car on s ntéresse plutôt aux cardnaltés des relatons qu à leurs orentatons. Toutes les catégores des graphes que nous venons de vor correspondent à des types de problèmes partculers. Et dans l objectf de trouver des solutons plus effcaces et de façon plus rapde à des problèmes, l être human essae d utlser les graphes pour dessner l mage mentale qu l forme à propos des nformatons sur ces problèmes. De nombreux travaux ont été réalsés dans le domane des graphes afn de proposer des technques offrant une bonne qualté de représentaton [Battsta, 1999]. Il exste en général deux catégores d algorthme d affchage de graphe : les algorthmes hérarchques qu dstrbuent les nœuds selon leur nveau hérarchque dans le graphe, et les algorthmes basés sur des modèles physques. Quelque sot l algorthme utlsé, l dot répondre aux crtères d esthétsme qu favorsent la lsblté et la faclté de manpulaton du graphe affché. En général, ces crtères sont : - la mnmsaton de crosement des lens, - la répartton effcace des sommets, - l optmsaton de l orentaton des lens, - l optmsaton de l espace d affchage, - la maxmsaton de la symétrcté de la poston des sommets, - les lens dovent être affchés autant que possble sous forme de drote plutôt que de courbes. Cependant, l est dffcle, vore mpossble, de satsfare deux crtères d esthétsme à la fos. Par exemple, sur la fgure suvante, l n exste pas de crosement des lens sur le graphe de gauche mas la poston des sommets n est pas symétrque, tands que la symétrcté de la poston des sommets est optmsée sur le graphe de drote mas l a deux lens crosés. 93

96 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques Fgure 3.1 : Affchage de crtères d esthétque En d autres termes, les crtères d esthétsme d un graphe dépendent unquement de la spécfcté du domane d applcaton ou du type des graphes pour lequel l algorthme a été développé. Sachant qu l est souvent dffcle de satsfare tous ces crtères, les plus prs en compte par la plupart des algorthmes de graphe sont souvent la mnmsaton du crosement des lens et l optmsaton de la répartton des sommets. Les algorthmes hérarchques sont souvent utlsés dans la résoluton des problèmes qu on peut modélser sous forme d arbre ou d un graphe orenté non cyclque. Pluseurs technques peuvent être utlsées dans l affchage de ces graphes ([Garg, 1993], [Sweet, 1978], [Tlford, 1981], [Vaucher, 1980]) car les contrantes mposées sur la structure du système à étuder sont clares et ben défnes. Les graphes orentés, par exemple, sont souvent utlsés pour représenter des flux de données pusqu on sat à l avance le sens de la drecton des lens ans que le ou les sommet(s) de départ, par exemple de gauche vers la drote ou de haut en bas ([Eades, 1989], [Eades, 1990], [Gansner, 1988], [Gansner, 1993], [Messnger, 1988]). Le prncpe de ces algorthmes consste à extrare un arbre à partr du graphe donné et ensute à détermner la racne. Pluseurs sous-ensembles de sommets sont ensute formés dont le plus pett content le sommet racne. Le processus d affchage commence par la dsposton successve des sommets depus la racne jusqu aux sommets feulles. Ce type d algorthme s adapte ben à l affchage de certanes caractérstques des systèmes complexes. Par exemple, on peut les utlser pour étuder la structure d un dsque logque, d un système d explotaton ou d une applcaton. On peut auss les utlser dans l analyse de la structure d un dspostf afn de vsualser comment sont organsés les éléments qu le composent. 94

97 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques 3.2 Les algorthmes basés sur des modèles physques Contrarement aux arbres et aux graphes orentés, l n exste aucune contrante mposée sur la structure d un système représenté sous forme d un graphe général. Ce manque de contrante est le plus grand problème dans l affchage de cette famlle de graphe car on ne sat pas à l avance comment les sommets dovent être dsposés. Les deux seuls crtères qu on peut mposer sur la dsposton des sommets sont que : les sommets adjacents dovent être affchés plus proches l un de l autre, mas ls ne dovent pas être affchés trop proches pour évter la saturaton de l affchage. L objectf prncpal de ces deux crtères est de mnmser le crosement des lens et d évter la superposton des sommets afn d amélorer la lsblté du graphe affché. Malgré ce manque de contrante, l exste pluseurs méthodes qu on peut utlser dans l affchage des graphes généraux. La premère méthode consste à utlser l algorthme d aplanssement dont la premère étape est de tester s le graphe est planare ou non. Un graphe est dt planare s on peut le dessner dans le plan de sorte que ses lens ne se crosent pas. S le test est postf alors on effectue drectement l affchage, mas s le graphe n est pas planare alors l peut être aplan par dfférentes technques, par exemple la suppresson de certans lens. Cependant, l aplanssement est un problème NP-dffcle, mas l peut être résolu avec des méthodes heurstques d ordre O(n 2 ) [Battsta, 1994]. Une autre méthode consste à orenter les lens pour pouvor applquer ensute les algorthmes d affchage de graphes orentés. Cette méthode utlse le graphe d Euler qu consste à extrare un graphe cyclque qu passe une et une seule fos par tous les lens [Markstrom, 2006]. Le derner groupe de méthodes utlsées pour l affchage des graphes généraux (general undrected graph) est basé sur des modèles physques. En général, ces algorthmes peuvent être classés en deux groupes : les algorthmes de recut smulé (Smulated Annealng Algorthm) et les algorthmes de force-attracton-répulson (Force-Drected Placement) Les algorthmes de recut smulé En termes généraux, le recut smulé est un processus conçu en analoge avec des phénomènes physques qu consstent à chauffer une substance jusqu à ce qu elle se transforme en lqude pus la lasser se refrodr pour former un objet solde. La dmnuton de température permet aux molécules de se réorganser de façon totalement ordonnée pour former un crstal. Ce 95

98 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques processus est souvent utlsé dans les ndustres métallurgques. Le recut smulé est souvent utlsé comme technque de résoluton de problème où l espace de solutons potentelles est large et dont l est mpossble d effectuer des recherches combnatores. Par exemple la technque de recut smulé peut être utlsée dans la résoluton du problème du voyageur de commerce (PVC) dont la complexté algorthmque est de type (n-1)!/2 où n est le nombre de vlles à vster. En effet, résoudre le PVC consste à trouver le chemn le plus court qu passe par n vlles en ne passant qu une seule fos exactement par une vlle. Le seul paramètre connu est la dstance entre les vlles. Pour 3 vlles, on a une possblté (trajet possble), pour 4 vlles on a 3 possbltés et pour 5 vlles on a 12 possbltés. Pour n vlles, on alors (n-1)!/2 trajets possbles. Le nombre de solutons possbles explose donc rapdement dès que le nombre de vlles devent assez mportant. Par exemple, pour 15 vlles l y a déjà 43 mllards de trajets possbles. Il faut donc trouver un algorthme qu permet de résoudre le problème et de trouver une soluton approchée dans un temps rasonnable. Dans le domane des graphes, cette technque a été mplémentée dans pluseurs algorthmes d affchage de graphes généraux ([Davdson, 1996], [Dekmann, 1993]). Le plus grand avantage de cette technque est qu elle permet de satsfare pluseurs crtères d esthétsme de graphe à la fos. Mas l nconvénent majeur est le temps de calcul car l peut souvent être très mportant, ce qu consttue l handcap prncpal des algorthmes qu l mplémentent. En effet, le prncpe de base de cette technque consste à approcher une confguraton optmale par l utlsaton de méthodes heurstques. Pluseurs tératons peuvent être nécessares pour trouver une confguraton qu satsfat les crtères d esthétsme recherchés. A chaque tératon, on teste une nouvelle confguraton, s elle est melleure que la précédente alors on l adopte snon on revent à l ancenne. On a donc toutes les possbltés de tomber dans des mauvases confguratons jusqu à ce qu on approche de la confguraton optmale. La forme basque de l algorthme de recut smulé est décrte par le pseudo-code suvant : 96

99 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques Algorthme de recut smulé : Intalsaton de la température T ; Intalsaton de la confguraton C ; Calculer le coût de C, sot E = F(C) où F une foncton de coût ; Tant que (T>Température fnale) fare Tant que (Répétton>MaxRépéttonConstant) fare Chosr une nouvelle confguraton C la plus proche de C ; Calculer le coût E de C, E = F(C ) ; Trer p dans [0, 1] ; S ((E <E) ou (p<e (E-E )/T )) alors C C ; E E ; Fn S Décroître la température T ; Fn tant que Fn tant que Ic, la confguraton C correspond à la confguraton qu permet plus ou mons de satsfare les crtères esthétques vsés, en partculer la mnmsaton de crosement des lens. A chaque tératon, on teste une nouvelle confguraton du graphe et on évalue s elle est melleure que la précédente. Pluseurs tératons peuvent donc être nécessare jusqu à l obtenton de la confguraton optmale qu correspond à la confguraton satsfasant tous les crtères d affchage recherchés. La valeur aléatore p sert à détermner l acceptaton d une confguraton ayant un coût supéreur à celu de la confguraton courante tout en tenant compte du facteur température. En effet, le facteur température sert à prendre en compte le fat que plus le processus de recherche de confguraton optmale avance, mons on accepte de mauvase confguraton coûteuse. Par contre, l ntalsaton de la température à une certane valeur élevée permet d explorer des confguratons coûteuses, ce qu permet de tester plus de confguratons possbles, donc d accroître les chances d approcher la confguraton optmale. 97

100 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques On constate que l effcacté de l algorthme dépend fortement du chox des quatre paramètres tels que : la foncton de coût, la foncton de réducton de la température, le nombre maxmum d tératons et la valeur mnmale de la température. De plus la confguraton ntale nfluence beaucoup la recherche de la confguraton car s elle est trop lon de la confguraton recherchée alors le temps de calcul peut être très mportant. En conséquence, s ces quatre paramètres sont mal choss alors l est dffcle d approcher la confguraton optmale recherchée. Pour un graphe donné, on ne sat pas à l avance comben d tératons sont nécessares n quelle foncton de coût est la plus effcace pour trouver la confguraton optmale. En effet, pour chaque nouvelle confguraton, la modfcaton de la poston d un sommet entraîne la mse à jours de la poston de tous les autres sommets ans que la dsposton de tous les lens. La complexté algorthmque du recut smulé est donc de type O(n 2 m) avec n le nombre de sommets et m le nombre de lens. Ce qu peut être très pénalsant en terme de coût de calcul car plus le nombre de sommets augmente plus le temps de calcul peut être très mportant. Ce type d algorthme n est donc pas adapté à des applcatons nteractves car le temps de rafraîchssement de l affchage peut devenr trop mportant. Il exste actuellement pluseurs travaux qu essaent d apporter des optmsatons afn de rédure le temps de calcul nécessare à la recherche de la soluton optmale. Par exemple, [Monen, 1995], [Łukask, 2008], [Casoto, 1987] et [Darema, 1987] proposent des technques de parallélsaton de calcul. D autres technques d optmsaton utlsent les algorthmes génétques ([Banchn, 1993], [Collns, 1991], [Davs, 1987]) Les algorthmes force-attracton-répulson Cette famlle d algorthmes est auss basée sur des modèles physques car elle est conçue en analoge avec des systèmes mécanques qu mettent en œuvre des forces d attracton et de répulson afn de trouver l état stable du système avec une énerge mnmale. Le graphe à étuder est donc assmlé à un système de masse et ressort où les masses représentent les sommets et les ressorts représentent les lens. Après avor affecté des postons ntales aux sommets (souvent de façon aléatore), ls se repoussent et s attrent pour trouver leurs postons fnales qu correspondent à l état fnal du système masse-ressort avec une énerge mnmale. Par conséquent, trouver la poston fnale de chaque sommet d un graphe équvaut à mnmser l énerge générée par le système masse-ressort correspondant. Les deux méthodes 98

101 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques les plus utlsées pour mnmser cette énerge sont la résoluton de systèmes d équatons et la smulaton des forces d attracton et de répulson. Par rapport aux technques du recut smulé, l est plus facle de modélser un graphe à l ade du système masse-ressort. Cependant, comme les algorthmes de recut smulé, les algorthmes de force-attractonrépulson ont auss un nconvénent qu est le temps d exécuton car l est souvent très dffcle de mnmser l énerge générée par le système masse-ressort qu correspond à son état fnal. C est pourquo la plupart des algorthmes basés sur ce modèle proposent leurs propres fonctons de réducton d énerge (appelées cost functon ou foncton de coût) qu ne sont jamas exprmées explctement Prncpe général Le concept du modèle masse-ressort a été ntalement développé par Eades [Eades, 1984]. Ses travaux fasaent l objet de pluseurs développements qu condusaent à dfférents modèles dynamques. En assocant les sommets (noeuds) d un graphe à des masses et les lens (arêtes) à des ressorts, le concept proposé par Eades supposat que la poston fnale des sommets pourrat correspondre à l état fnal du système masse-ressort après une phase de transton due aux attractons et répulsons des sommets. En général, tous les algorthmes basés sur le modèle masse-ressort sont basés sur le prncpe qu consste à calculer les forces de répulson entre tous les sommets et les forces d attracton unquement entre les sommets adjacents. Fruchterman et Rengold [Fruchterman, 1991] ont proposé une nouvelle varante de l algorthme de Eades, et la plupart des algorthmes FDP récemment développés sont basés sur leur approche. Cette approche consste à fare en sorte que deux sommets adjacents soent affchés plus proches l un de l autre. Pour évter le problème de crosement des lens et de superposton des sommets, deux sommets ne dovent pas être affchés trop proches. Autrement dt, la dstance entre les sommets dot être plus ou mons unforme. Comme elle est montrée dans le pseudo-code suvant, la seule condton d arrêt du calcul de la poston fnale des sommets est le nombre maxmal d tératon fxé à l avance. Le déplacement de chaque sommet est à évaluer en foncton de la "température" globale du système. Il n exste donc pas de moyens qu permettent de précser de façon absolue comben d tératons sont nécessares pour trouver la poston fnale des sommets, et l n exste pas, non plus, de foncton de coût unque qu permet de détermner le déplacement d un sommet. C est la rason pour laquelle tous les algorthmes basés sur les approches de Fruchterman et Rengold proposent leurs propres fonctons de coût. 99

102 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques Algorthme FDP : Intalsaton : postonnement aléatore des sommets ; Tant que k < Max_Itératon fare Pour tout sommet u fare Pour tout sommet v!= u fare S dstance (u, v) < seul alors Calculer la force de répulson entre u et v ; Pour tout sommet v, v adjacent à u fare Calculer la force d attracton entre u et v ; Pour tout sommet u fare Calculer la somme des forces applquées à u ; Déplacer u en foncton de la température globale ; Dmnuer la température globale ; Fn Kamada et Kawa [Kamada, 1989] ont améloré les travaux de Eades en ntrodusant le concept de dstance déale entre deux sommets non adjacents. Cette dstance est proportonnelle à la longueur du chemn le plus court entre deux sommets non adjacents. Ils étaent auss les premers à formuler l expresson de l énerge générée par un système masseressort, et ont montré que la recherche de la poston fnale des sommets qu mnmse les crosements des lens équvaut à la résoluton d un système d équatons pour mnmser l énerge générée par le système masse-ressort correspondant. Au leu de smuler des forces de répulson et des forces d attracton, ls ont proposé d autres méthodes qu consstent à résoudre des systèmes d équatons afn de mnmser l énerge totale générée par le système masse-ressort. L avantage de cette méthode est que le nombre d tératons n est plus fxé de façon aléatore mas dépend unquement de la lmte mnmale recherchée de l énerge totale. Intalement, la plupart des algorthmes FDP étaent applqués à la représentaton 2D de larges graphes. De nombreux travaux ont montré qu ls peuvent être auss applqués à la représentaton 3D et produsent une bonne qualté d affchage. Les avantages de FDP pour l affchage 3D ont été montrés par les travaux de Tm Dwyer [Dwyer, 2001] sur la 100

103 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques vsualsaton 3D des dagrammes UML. Churcher et Creek [Churcher, 2001] ont proposé un envronnement vrtuel qu permet de vsualser un large graphe en utlsant l algorthme FDP. Malgré la smplcté de modélsaton des algorthmes FDP, ls nécesstent des optmsatons car ls ont deux grands nconvénents. Le premer nconvénent est qu ls ne prennent pas en compte, en général, l optmsaton de l espace d affchage et le deuxème nconvénent est le temps d exécuton. En effet, comme nous avons vu précédemment, ces algorthmes sont basés sur le prncpe que chaque pare de sommets exerce des forces de répulson, et que des forces d attracton sont calculées unquement pour chaque pare de sommets adjacents. Jusqu à l obtenton de l état fnal du système, pluseurs tératons sont exécutées et la poston des sommets est modfée. Sachant que chaque tératon est exécutée dans un temps d ordre O(n 2 +m), n étant le nombre total de sommets et m le nombre total d arêtes, cec peut être pénalsant en temps de calcul lorsqu l s agt d affcher de larges graphes composés de mllers de sommets Les méthodes d optmsaton de l algorthme FDP Afn d amélorer la qualté d affchage et de mnmser le temps d exécuton de larges graphes, de nombreuses méthodes ont été assocées aux algorthmes FDP. En général, ces méthodes sont basées sur des technques de parttonnement de l ensemble des sommets avant d applquer à chaque partton l algorthme FDP. L objectf est donc d utlser une approche hérarchque dans l affchage des graphes généraux. Le plus grand avantage de ces méthodes est qu elles permettent de rédure consdérablement le temps de calcul car l algorthme FDP n est applqué qu à l améloraton de la dsposton des sommets dans un sous-ensemble à la fos. La dsposton des sommets d un des sous-ensemble(s) précédent(s) sert donc de contrante dans la dsposton des sommets du sous-ensemble suvant, et ans de sute. La technque mult-grlles de Fruchterman et Rengold Il s agt d une des premères technques utlsées dans l améloraton de la performance de l algorthme FDP [Fruchterman, 1991]. Pour rédure la complexté de l algorthme, l espace d affchage est transformé en matrce composée de pluseurs grlles de sorte qu à chaque tératon chaque sommet se trouve dans une grlle. Les forces de répulson ne sont plus calculées entre tous les sommets mas unquement entre deux sommets se trouvant dans deux 101

104 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques grlles côte à côte. Cette approchée est encore amélorée par l ntroducton d un paramètre qu défnt le pérmètre d applcaton de la force de répulson. Ans, pour chaque sommet, les forces de répulson ne sont plus applquées qu avec les autres sommets qu se trouvent dans un cercle de rayon 2k (la longueur du côté d une grlle) où k est la dstance optmale entre deux sommets. Par exemple, sur la fgure suvante le sommet v nteragt avec le sommet q mas pas avec le sommet r n avec le sommet s car ls se trouvent à une dstance supéreure à 2k. Fgure 3.2 : Calcul de force répulson par la technque de grlle Pour calculer les forces d attracton et de répulson, l expresson des fonctons est donnée par les expressons suvantes : f a (d) = d 2 /k et f r (d) = -d 2 /k avec d la dstance entre deux sommets et k la dstance optmale qu est donnée par l expresson k = C.sqrt(A/n) où C est une constante trouvée expérmentalement, A la dmenson de l espace d affchage et n le nombre de sommets. En utlsant la méthode de mult-grlles, l expresson de la foncton de répulson devent : f r (d) = k 2 /d (u(2k-d)) où u(x) = 1 s x > 0 et 0 snon. En conséquence, lorsque les sommets sont unformément réparts dans les grlles alors la complexté du calcul des forces de répulson devent O( V ) ou O(n) avec n le nombre des sommets. Chaque tératon n est plus exécutée que dans un temps d ordre O(n+m) pusque les forces d attracton sont toujours calculées entre deux sommets adjacents. Cependant l exste toujours des problèmes lorsque le nombre de sommets est égal au nombre de grlles qu on peut construre dans l espace d affchage. 102

105 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques La technque mult-échelles de Walshaw Dans l objectf d accélérer le processus d affchage d un graphe complexe, une approche basée sur le parttonnement de graphe a été étudée. Pusque l algorthme FDP peut produre des résultats satsfasants dans l affchage de graphe général mas avec un temps de calcul qu peut être en revanche très mportant, C.Walshaw [Walshaw, 2003] a proposé la technque de mult-échelles qu est basée sur le parttonnement de graphe. L dée prncpale consste à subdvser le graphe en pluseurs sous-graphes de sorte que le plus pett sous-graphe content au maxmum deux ou tros sommets ou un nombre prédéfn. Le processus commence par la dsposton des sommets dans le sous-graphe ntal (en général celu qu content le mons de sommets) et l algorthme FDP est applqué dans l améloraton de la poston de ces sommets. Le résultat obtenu dans le premer sous-graphe sert ensute de contrante dans la dsposton des sommets du sous-graphe suvant. Ce processus est rétéré jusqu à l affchage de tous les sommets du graphe et l algorthme FDP n est applqué qu à l améloraton de la poston des sommets du sous-graphe courant. L algorthme FDP utlsé est toujours basé sur la varante de Fructhterman et Rengold, c'est-à-dre par la smulaton des forces d attracton et de répulson. Le parttonnement du graphe est optmsé de façon à ce que dans chaque sous-graphe un sommet at au maxmum un sommet adjacent, c'est-à-dre qu l n exste pas de lens adjacents. Sachant que le parttonnement d un graphe devent très dffcle lorsque le graphe est assez complexe (par exemple un graphe fortement connexe où chaque sommet est lé à n-1 sommets), une technque de parttonnement mult-échelles de Hendrckson [Hendrckson, 1995] a été utlsée. L approche consste donc à trouver un parttonnement du graphe en fasant en sorte qu l n exste pas trop de sommets dans un sous-graphe. En même temps l ne dot pas y avor trop de sous-graphes snon la performance sera auss dégradée par l affchage de pluseurs sous-graphes smlares. La technque proposée par C.Walshaw commence donc par le parttonnement du graphe. Pour un graphe G = {V, E} avec V l ensemble de sommets et E l ensemble des arêtes, supposons par exemple que le parttonnement obtenu sot de la forme suvante : G 0, G 1, G 2,.. G k-1, G k avec G=G 0. Les sommets du sous-graphe G k sont dsposés ntalement et l algorthme FDP est utlsé dans l améloraton de leur dsposton tout en tenant compte de tous les crtères d esthétsme. Ensute, on passe au sous-graphe suvant, le sous-graphe G k-1, la dsposton de ces sommets dépend de la poston des sommets du sous-graphe précédent qu sont désormas fxes. On applque ensute l algorthme FDP pour mnmser le crosement des 103

106 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques arêtes et optmser la symétre. Cette technque permet de rédure consdérablement le coût de l affchage d un graphe complexe car l algorthme FDP n est applqué qu à l améloraton de la dsposton des sommets d un sous-graphe G k à la fos. Et comme chaque sous-graphe content mons de sommets et mons de lens crosés alors le temps de calcul devent mons mportant. La technque de fltrage de Gajer Cette technque d optmsaton a la même approche que la technque précédente car elle est auss basée sur le parttonnement du graphe en pluseurs sous-graphes et l algorthme FDP est auss basé sur celu de Fructhterman et Rengold. Cependant, la plus grande dfférence résde dans la méthode de parttonnement du graphe [Gajer, 2004]. En effet cette méthode consste en l utlsaton d une technque de fltrage de l ensemble de sommets appelée MIS (Maxmal Independent Subset). Pour un graphe G = {V, E} avec V l ensemble de sommets et E l ensemble d arêtes, la premère étape consste à applquer des technques de fltrage pour trouver un parttonnement de l ensemble de sommets V en pluseurs sous-ensembles respectant les crtères MIS. Un sous-ensemble S de V est dt sous-ensemble MIS, désgné par maxmal, s aucun couple de sommets de S n est lé par une arête. Autrement dt la dstance topologque entre deux sommets de S est supéreure ou égale à 2 sachant que la dstance topologque entre deux sommets est le nombre mnmal de lens entre eux. Une famlle de fltrage MIS de G est une famlle d ensemble V qu est construte de la façon suvante : V = V0 V1 V2... Vk Φ où chaque V est un sous-ensemble maxmal de V -1. La dstance topologque pour chaque pare d éléments de V est donnée par la formule 2. Par exemple, la fgure 3.3 montre le fltrage en sous-ensemble MIS d un graphe G. Ic on a une matrce carrée 10x10 avec les ponts en nor qu représentent les sommets où V = V 0 et V 1 est sous-ensemble maxmal de V 0, V 2 est un sous-ensemble maxmal de V 1. On vot que la dstance topologque de chaque pare d éléments de V 2 est supéreure ou égale à 4 =

107 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques Fgure 3.3 : Fltrage en sous-ensemble MIS d un graphe Pour le cas du graphe dans cette fgure, le processus commence par affcher les éléments du sous-ensemble V 4, l algorthme FDP est applqué à l améloraton de la poston des 3 éléments afn de mnmser le crosement des lens. Ensute on passe au sous-ensemble V 3, on affche ses éléments en tenant compte de la poston des sommets dans V 4 qu sont désormas fxes et on applque ensute l algorthme FDP. Ce processus est répété jusqu à la fn du tratement de tous les sous-ensembles. Cette technque permet d amélorer consdérablement la performance de l algorthme FDP car l n est plus utlsé que pour l améloraton de l affchage des sommets dans un sous-ensemble à la fos. En général, la plupart des méthodes d optmsaton de l algorthme FDP sont basées sur les deux approches que nous venons d étuder. Il exste encore beaucoup de travaux qu ont été réalsés sur ce domane mas les approches sont toutes smlares, par exemple [Davdson, 1996] et [Harel, 2002] ont proposé des technques mult-couches. Par rapport aux algorthmes de recut smulé, les technques d optmsaton par parttonnement permettent de rédure consdérablement le temps de constructon d un graphe général complexe. Par conséquent, on peut développer des applcatons plus nteractves avec l algorthme FDP même s le nombre d objets à affcher est assez mportant. Comme la plupart des algorthmes de graphe, les algorthmes que nous venons d étuder ont en commun un grand nconvénent lorsqu ls sont applqués à l étude d un système réel. En effet, ces algorthmes ne tennent pas compte de la talle des objets à affcher donc de l optmsaton de l espace d affchage. Il est en fat plus facle de mnmser la superposton ou la collson des sommets lorsqu ls sont représentés à l ade de ponts mas l affchage peut devenr rapdement saturé lorsque ces sommets ont des lbellés et sont représentés par des 105

108 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques formes varées avec des talles dfférentes. Ans, ces algorthmes peuvent être mons effcaces lorsque les sommets ne sont plus représentés par des smples ponts. Pour résoudre ce problème, l exste pluseurs méthodes d optmsaton qu permettent d amélorer l affchage des graphes généraux pour représenter des systèmes réels. La technque d optmsaton de Gansner et North Gansner et North [Gansner, 1998] ont proposé une nouvelle technque d optmsaton de l algorthme FDP dont l objectf prncpal est d amélorer la qualté de l affchage d un graphe par la mnmsaton de la superposton des sommets affchés. En général, la soluton la plus utlsée lorsque l affchage d un graphe est saturé est l agrandssement de l espace pour que les sommets ne se superposent plus et qu l y at mons de crosements de lens. La technque de Gansner et North s applque à l affchage de graphe dont les sommets ne sont pas représentés par des smples ponts. Elle consste à modfer l affchage obtenu par l algorthme FDP en déplaçant successvement les sommets pour qu l y at assez d espace entre eux. La premère étape du processus d affchage consste à consdérer les sommets comme des ponts et à applquer l algorthme FDP à l améloraton de leur poston. L algorthme FDP utlsé est basé sur l approche de Kamada et Kawa qu consste à résoudre des systèmes d équatons pour mnmser l énerge générée par le système masse-ressort assocé. La deuxème étape consste à mettre chaque sommet dans un polygone et une autre méthode est ensute utlsée pour créer des espaces entre les polygones pour qu ls ne se superposent pas. Afn de trouver la dstance déale entre deux polygones, pour qu ls ne superposent pas, le processus construt un dagramme de Vorono [Lyons, 1998] de l ensemble des sommets. Pour un ensemble de ponts S = {p 0, p 1, p 2,, p n-1 }, un dagramme de Vorono de S, VD(S) est une partton en n régons convexes telle que la régon ou le polygone Vor(p ) assocée au pont p est l ensemble des ponts plus proches de p que de tout autre pont de S. La dstance utlsée c est une dstance Eucldenne. Chaque pont est ensute déplacé au centre de son polygone de Vorono Vor(p ) et on recalcule la dstance entre tous les polygones. Ce processus est répété jusqu à ce qu l n y at plus de superposton entre les polygones. Une autre dfférence de cette technque par rapport aux autres technques d optmsaton est que les lens ne sont pas tracés sous forme de lgne drote mas sous forme de courbe. En effet, pour amélorer l affchage, chaque len ne dot pas couper un sommet qu n est pas son 106

109 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques pont d extrémté. Cette méthode permet donc d amélorer consdérablement la lsblté du graphe affché. Par exemple, les fgures suvantes montrent l améloraton de l affchage d un graphe par l utlsaton du dagramme de Vorono. Check_buffer Out_data Out_headng man rel nfo Open_source Spec_dat a prefx Out_rel Fll_spec_t able Check_fclose Check_fope n Int_spec_tab le Spec_head ng Fgure 3.4 : Dsposton ntale des sommets Check_buffer Open_source Out_headng man nfo rel Spec_dat a Out_data Fll_spec_t able Int_spec_tab le Out_rel prefx Check_fclose Check_fope n Spec_head ng Fgure 3.5 : Dsposton fnale Après l applcaton de l algorthme FDP, on obtent la confguraton ntale de la fgure 3.4. S les sommets étaent représentés smplement par des ponts alors la confguraton ntale serat déjà assez lsble. La varaton de la talle et de la forme des sommets est la source de la saturaton de l affchage. L applcaton du dagramme de Vorono permet donc de mettre de l espace entre les sommets pour obtenr une confguraton plus lsble (fgure 3.5). 107

110 Les algorthmes de graphe basés sur des modèles physques 3.3 Concluson du chaptre Il exste actuellement pluseurs varétés d algorthmes de graphe dont l effcacté dépend unquement du domane d applcaton et de l esthétsme recherché. Il est facle de modélser une soluton pour l affchage d un graphe donné s les contrantes sur l orentaton des arêtes sont clares car elles permettent d dentfer comment les sommets dovent être dsposés. A cause de ce manque de contrante l affchage des graphes généraux est plus dffcle à réalser car l exste pluseurs types de confguraton possble. Les algorthmes les plus souvent utlsés sont donc basés sur des modèles physques du fat de la faclté de leur modélsaton. Pusque ces algorthmes nécesstent beaucoup d optmsatons compte tenu de leur complexté, la méthode la plus utlsée est actuellement le parttonnement de graphe. L ntérêt de cette approche vent du fat que l algorthme FDP est très effcace lorsqu l est applqué dans des plus petts sous-graphes dont la confguraton des sommets est déjà préoptmsée. 108

111 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes Chaptre 4 : Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes Nous présentons dans ce chaptre une nouvelle technque d optmsaton de l algorthme FDP. Nous avons pu remarquer dans le chaptre précédent que la plupart des algorthmes de graphe sont théorquement effcaces pusqu ls ne sont pas évalués dans la représentaton des systèmes réels où les éléments sont représentés par leur forme réelle. De même, la majorté des méthodes d optmsaton des algorthmes FDP ne tennent pas compte de ce facteur qu est très mportant dans l améloraton de la lsblté d un graphe. Il exste actuellement très peu de travaux réalsés sur ce problème. L approche de Gansner et North présentée précédemment est la plus proche de notre méthode pusque nous utlsons la même varante de l algorthme FDP qu est basée sur la méthode de Kamada et Kawa. Mas la premère dfférence est que leur algorthme s utlse dans la représentaton 2D alors que le notre est destné dans la vsualsaton 3D des systèmes complexes. En effet, selon les constats que nous avons éms dans l état de l art, les technques de vsualsaton 3D peuvent largement amélorer la qualté de la représentaton vsuelle de la structure d un système complexe et permettent auss d dentfer et d nterpréter plus faclement les pannes et les dysfonctonnements des ressources à gérer. La deuxème dfférence est la méthode d optmsaton de la répartton des sommets et la méthode de mnmsaton de l énerge totale du système masse-ressort. En effet, nous optmsons la qualté de l affchage tout au long de l exécuton de l algorthme FDP, alors que la méthode de Gansner et North s applque dans l améloraton du résultat obtenu. Ce chaptre est organsé de la façon suvante : nous allons étuder dans un premer temps la méthode d optmsaton de l espace d affchage, l expresson des forces d attracton et de répulson ans que l algorthme que nous avons développé tout au long de cette thèse. Nous comparons, à la deuxème secton, la performance de notre algorthme par rapport aux autres algorthmes qu utlsent le modèle physque. Nous termnerons, à la trosème secton, par les dfférentes leçons que nous pouvons trer de ces expérmentatons. 109

112 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes 4.1 Nouvel algorthme d affchage de graphe Selon le mantra de la recherche d nformaton qu sert de gude dans la concepton des outls de vsualsaton, nous devons tout d abord trouver des moyens qu permettent d offrr une vue globale du système à étuder. Nous avons chos la représentaton par graphe pour représenter la structure de réseaux nformatques car l s agt des systèmes dont la mse en évdence des relatons entre les éléments est très mportante dans la compréhenson de la structure topologque et surtout dans l étude de performance des ressources à travers les flux de données qu elles échangent. Il est donc plus facle d dentfer non seulement la source d une panne mas auss les mpacts possbles de cette panne sur les autres éléments grâce à l affchage de leurs relatons. L algorthme de vsualsaton 3D que nous avons développé peut être utlsé pour l affchage des prncpaux types de graphe : graphe général et arbre. En effet, comme notre objectf est de permettre la vsualsaton d un système complexe, nous devons offrr des moyens qu permettent d étuder toutes les caractérstques des réseaux, c'est-à-dre la structure globale du système enter et ses aspects hérarchques qu permettent d analyser en détal comment un sous-groupe d éléments est organsé ou comment un élément partculer est structuré. Les technques que nous avons proposées sont applcables dans la vsualsaton 3D de n mporte quel système pourvu que ses éléments soent ben structurés. Afn d amélorer la performance de notre algorthme, nous avons utlsé des technques d optmsaton de calcul qu permettent de résoudre rapdement des systèmes d équatons complexes. Nous avons pu remarquer que la lsblté d un graphe est un facteur très mportant dans la compréhenson de la structure du système à étuder. Il est donc mportant de proposer des technques de représentaton qu permettent d dentfer faclement les dfférents éléments affchés et leurs relatons. Dans ce sens nous proposons une nouvelle méthode d optmsaton de l espace d affchage et de mnmsaton de crosement des lens entre les objets affchés. En effet, ces deux paramètres caractérsent la qualté de l affchage d un graphe donc la qualté de la vsualsaton. Afn de mnmser le crosement des lens et d évter la collson des sommets, notre approche consste à utlser la plus grande sphère nscrte dans l espace d affchage et d y répartr équtablement les sommets selon leur nveau hérarchque. Dans le cas où l n est pas possble de répartr les sommets en pluseurs sous-ensembles, la plus 110

113 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes grande sphère nscrte dans l espace d affchage sera drectement reparte en pluseurs pettes sphères de même volume contenant chacune un sommet. Ce qu permet d évter le problème de collson des nœuds. Les méthodes que nous proposons c sont destnées à l optmsaton de l algorthme FDP applqué à la vsualsaton 3D de large graphe, mas elles peuvent être applquées auss à la vsualsaton 2D avec des modfcatons mneures Optmsaton de l espace d affchage L approche d optmsaton que nous proposons [Dodo 2007b, 2008] consste à consdérer la plus grande sphère nscrte dans l espace d affchage et à la subdvser en pluseurs pettes sphères de même dmenson qu contennent chacune un sommet. La poston des sommets est amélorée par l algorthme FDP afn de les répartr effcacement dans l espace d affchage. Pour un graphe G = (V, E) avec V l ensemble des sommets et E l ensemble des arêtes, consdérons S 0 la plus grande sphère nscrte dans l espace d affchage. Les sommets du graphe G sont réparts de la manère suvante : - chaque sommet est placé au centre de la partton S, où S est une sphère ; - pour tout sommet et j, la partton S et la partton S j ont le même volume, c est à dre volume (S ) = volume (S j ). Pour optmser l espace d affchage, nous devons donc maxmser le volume des sphères S contenant les dfférents sommets du graphe. Cec permet de ben dstrbuer les sommets dans l espace d affchage et d unformser ans les dstances entre eux. Cette méthode permet auss d évter la collson des sommets car les sphères qu les contennent ont le même volume. Et maxmser les volumes des sphères S revent donc à trouver la poston fnale des sommets qu mnmse l énerge totale générée par le système masse-ressort correspondant. Les dfférentes sphères sont défnes de la manère suvante : - on affecte une talle unque à tous les objets, donc les sphères qu les contennent ont le même volume. Sot v le volume d une sphère S, v = v j pour tout (, j) avec # j. - pour une sphère S et un ensemble de sommets V={a 1, a 2, a 3, a k }, le volume de la sphère S est donné par v = v S /k avec v S le volume de S et k le nombre de sommets. 111

114 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes La dvson d une sphère donnée en pluseurs sphères devent très dffcle lorsque le nombre de sommets réel à répartr dans cette sphère est supéreur au nombre de sommets qu elle peut contenr théorquement. Cec peut augmenter consdérablement le temps de calcul car l faut optmser la dsposton des objets. En effet, pour qu l y at assez d espace entre deux objets, l faut que le rayon d un objet sot nféreur ou égal à ½ du rayon de la sphère qu le content. Une soluton qu on peut adopter dans le cas où le nombre d objets à repartr dans une sphère est trop grand par rapport au nombre de pettes sphères qu elle peut contenr est de rédure le rayon des objets. Le seul nconvénent de cette soluton est qu elle peut détérorer la qualté de l affchage car les objets peuvent être non dstnguables. En utlsant des sphères comme objets englobants permet d optmser l espace entre les sommets du graphe dans l espace 3D. La fgure 4.1 montre, par exemple, le processus de dstrbuton des sommets d un graphe. Fgure 4.1 : Exemple de répartton des sommets d un graphe Les objets colorés se trouvant au centre des sphères représentent les sommets. Ce type de graphe par exemple représente une structure en arbre. L affchage des graphes généraux 112

115 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes fortement connexes avec notre méthode est plus facle que l affchage d un arbre car la sphère ntale est drectement subdvsée en pluseurs sphères contenant chacun un sommet. La seule condton qu l faut satsfare est l unformté du volume des sphères contenant les sommets au même nveau hérarchque. L optmsaton de l espace d affchage fat parte de la qualté de lsblté d un graphe. De nombreux travaux ont été réalsés dans ce domane, par exemple Nguyen et Huang [Nguyen, 2002] ont développé des méthodes d optmsaton de l affchage d un arbre. Leurs méthodes sont très effcaces car elles permettent d affcher des arbres de grande talle. Cependant, leurs méthodes ne s applquent qu à l affche 2D et unquement pour des structures en arbre. Notre méthode permet d affcher en 3D tout type de graphe non orenté, en effet, s on peut extrare une partton de l ensemble des sommets d un graphe alors nous procédons à l affchage successf des noeuds dans les dfférentes parttons. Dans le cas où le graphe fortement connexe, nous répartssons drectement les sommets dans la sphère ntale et l algorthme FDP est applqué drectement à l améloraton de leurs postons Forces d attracton et de répulson L algorthme que nous proposons est basé sur les travaux de Kamada et Kawa [Kamada, 1989], c'est-à-dre qu au leu de fare une smulaton des forces d attracton et de répulson, nous résolvons des systèmes d équatons pour mnmser l énerge totale générée par le système masse-ressort correspondant. En général, l algorthme FDP est le plus souvent utlsé dans l affchage des graphes non orentés par la smplcté de son concept. Afn de mnmser le crosement des lens et d optmser l espace d affchage, le prncpe a été dévé du phénomène physque car les forces de répulson sont applquées à toute pare de sommets tands que les forces d attracton sont applquées unquement entre deux sommets adjacents pour qu ls soent affchés plus proches. Les forces applquées aux sommets permettent de trouver la poston fnale des sommets qu correspond à la valeur mnmale de l énerge générée. Notre algorthme est toujours basé sur ce prncpe, mas sa grande dfférence par rapport à l algorthme de Kamada et Kawa se trouve dans l expresson de la force d attracton. En effet, pour rédure les espaces non utlsés et pour évter le placement des sommets à 113

116 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes l extéreur de la sphère qu dot les contenr, les forces d attracton sont applquées pour les attrer vers le centre de cette sphère. Ans notre approche est modélsée de la façon suvante : - tous les sommets se repoussent deux à deux ; - chaque objet est attré vers le centre de la sphère qu le content. En conséquence, plus deux objets sont proches, plus la somme des forces de répulson qu ls exercent est mportante, et nversement plus deux objets sont élognés plus la somme des forces de répulson est fable. La force de répulson est donc nversement proportonnelle à la dstance entre deux sommets. Par contre la force d attracton est proportonnelle à la dstance entre un sommet et le centre de la sphère qu le content. En effet, elle est plus mportante lorsque le sommet se trouve élogné du centre de la sphère et elle est plus fable quand ce sommet est plus proche. Ans, la force totale applquée à un sommet est donnée par l expresson suvante : Avec F = F + F (1) R A F R = n ( Rayon Dstance ( P, Pj) ) j= 1and j et A F = n*dstance, ( P Centre) Où n est le nombre de sommets, Centre est le centre de la sphère S et Rayon est son rayon. F et F sont respectvement la force de répulson et la force d attracton applquées à un R A sommet. P et P j sont respectvement la poston du sommet et du sommet j. Dstance (P, P j ) est la dstance Eucldenne entre deux ponts P et P j. La poston fnale des sommets est obtenue lorsque la somme des forces de répulson et d attracton applquées aux sommets est nulle ou mnmsée à une certane lmte. C'est-à-dre que le système masse-ressort correspondant est en état d équlbre donné par l expresson R A F = ( F + F ) = 0 (2) = 1.. n = 1.. n 114

117 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes 115 Selon l approche de Kamada et Kawa sur laquelle est basé notre algorthme, l énerge totale générée par les forces de répulson et d attracton est donnée par l expresson suvante : ( ) ( ) + = = = n n j and j j Centre P n P P Rayon E ), Dstance( ), Dstance( 2 1 (3) En réécrvant cette équaton avec les cordonnées (x, y, z), on obtent l expresson explcte de l énerge E (4): ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = = = n n j and j j j j j j j cz z n cy y n cx x n z z y y x x Rayon z z y y x x Rayon E Avec ),, ( z y x P la poston du sommet et ),, ( cz cy cx Centre le centre de la sphère S. Afn de trouver l état fnal du système, nous devons donc mnmser cette énerge, ce qu revent à trouver la poston de chaque sommet qu la mnmse localement. En conséquence, l faut trouver et résoudre l expresson des dérvées partelles de l énerge E applquées aux sommets. En supposant que la poston ntale de l objet sot ),, ( z y x P, on cherche la poston ),, ( ' ' ' ' z y x P de qu mnmse l énerge totale avec + = + = + = tz z z ty y y tx x x ' ' ' En d autres termes, nous cherchons la translaton ),, ( tz ty tx T de chaque sommet qu mnmse l énerge totale du système. En réécrvant l expresson de E avec les cordonnées des translatons, nous avons : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = = = n n j and j j j j j j j j j j j j j cz tz z n cy ty y n cx tx x n tz z tz z ty y ty y tx x tx x Rayon tz z tz z ty y ty y tx x tx x Rayon E (5)

118 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes Mnmsaton de l énerge totale Le problème commun de tous les algorthmes basés sur le modèle masse-ressort est de trouver une foncton d énerge (appelée souvent par foncton de coût) effcace pour rédure l énerge totale. En effet, la dfférence majeure entre les algorthmes FDP se trouve dans la défnton et l expresson de l énerge totale et dans la méthode d optmsaton pour mnmser cette énerge. La rapdté et l effcacté d un algorthme FDP dépend donc entèrement de cette foncton car pour mnmser l énerge totale E nous devons trouver la poston de chaque sommet qu stablse le système, ce qu revent à mnmser cette énerge à chaque sommet. Nous avons donc proposé une nouvelle méthode qu utlse la recherche de mnmum par la méthode d optmsaton de gradent conjugué de Fletcher-Reeves [Fletcher, 1964]. Ans, le gradent de l énerge E applquée à un sommet est donné par l expresson suvante, avec X = x +tx, X j = x j +tx j, Y = y +ty, Y j = y j +ty j, Z = z +tz, Zj = zj+tzj : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = = = = = = j n j and j j j j j j j n j and j j j j j j j n j and j j j j j j Z Z n Z Z Y Y X X Z Z Rayon Z Z tz E Y n Y Z Z Y Y X X Y Y Rayon Y Y ty E X X n Z Z Y Y X X X X Rayon X X tx E La méthode d optmsaton de Fletcher-Reeves a déjà été utlsée par une plate-forme de vsualsaton de larges graphes [Tunkelang, 1998] mas les forces de répulson sont calculées en un temps d ordre O(nlogn) avec la méthode de Barnes-Hut [Barnes, 1986]. Comme nous tratons n sommets, l expresson (5) est une équaton 2n non lnéare et non ndépendante, ce qu est très dffcle à résoudre, donc nous consdérons un seul sommet à la fos. Ans, nous chosssons le sommet de plus grande énerge à chaque tératon et nous le déplaçons à une poston qu mnmse son énerge. Ce processus est répété jusqu à ce que l énerge locale à chaque sommet sot mnmale. Il est décrt de la façon suvante :

119 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes on calcule le gradent complet de E par rapport àtx, ty1, tz1, tx2, ty2, tz2,..., txn, tyn, tzn 1 ; ensute on calcule les normes de déplacement Δ = E tx 2 E + ty 2 E + tz 2 ; on recherche l objet m qu possède la plus grande norme de déplacement ( Δ m Δ = 1.. n ) ; on mnmse la foncton objectve E par le gradent conjugué avec comme paramètrestx, ty, tz, tout en fxant les autres sommets à leur poston actuelle ; m m m après la mnmsaton, on aura le déplacement du sommet m T tx, ty, tz ), ans, la m ( m m m poston actuelle du sommet m devent P x + tx, y + ty, z + tz ), et on revent m ( m m m m m m au calcul du gradent complet de E par rapport à tx, 1, ty1, tz1, tx2, ty2, tz2,..., txn, tyn tzn, et on arrête lorsque toutes les normes de déplacement sont nféreures au seul : Δ < ε pour = 1.. n. Afn d amélorer la qualté esthétque d un graphe, nous avons ntrodut dans l expresson de l énerge totale la noton de dstance topologque entre deux sommets qu est égale au nombre d arêtes entre eux. Pour deux sommets O et O j nous désgnons par d j leur dstance topologque, donc pour mnmser le crosement des lens, les sommets adjacents dovent être affchés plus proches. L expresson de l énerge totale (5) devent alors : E 1 2 j = 1 + n n = = 1 n and j ( d j * Rayon ) + ( x x j ) + ( y y j ) + ( z z j ) * Rayon * d ( x x ) + ( y y ) + ( z z ) ( x cx) + n( y cy) + n( z cz ) j j j j 2 (6) Un temps d ordre O(n) est nécessare pour calculer tous les Δ n, δ En, et le temps nécessare pour le processus de mnmsaton est d ordre O(Ln) où L est le nombre total d tératons pour mnmser l énerge locale. L est un peu dffcle à caractérser car elle dépend en même temps de la valeur de la confguraton ntale des sommets, du graphe et de la valeur deε. Ans, notre algorthme est résumé par le pseudo-code suvant : 117

120 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes Algorthme de mnmsaton de l énerge totale E Intalsaton : Placement aléatore des sommets : ntalsaton des x, y, z ), =1..n ( Intalsaton des translatons à zéro ( tx 0, ty = 0, tz = 0), =1..n = Calcul des gradents de E par rapport aux tx,, ty tz et les Δ avec =1..n Recherche de l objet m avec Δ m Δ, =1..n Tant que Δ m > ε fare Sot E E E grad =,, txm tym tz Assgnaton de la drecton de la descente : m u( u, u x y, u ) = grad z Tant que u > ε fare s = grad 2 Calculer le pas optmal p dans la drecton u, tout en respectant les dfférentes condtons (en applquant le vecteur de translaton, l objet m ne dot pas sortr de l espace partageable (S), l ne dot pas être en collson avec les autres objets, ) Mettre à jour le vecteur translaton avec ( tx m, tym, tzm ) ( txm + p * u x, tym + p * u y, tzm + p * u z ) Calculer le gradent de E par rapport àtx, m tym, tz, E E E m grad =,, txm tym tzm grad s s 2 u ( u x, u y, u z ) grad + s * u( u x, u y, u z ) Fn Tant que Calculer le gradent de E par rapport aux tx,, ty tz et les Δ avec =1..n Rechercher l objet m avec Δ m Δ, =1..n Fn Tant que 118

121 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes Résultats expérmentaux En général, un système complexe n est jamas structuré purement en arbre n en graphe général, donc on peut souvent extrare des sous-ensembles des nœuds pour représenter la hérarche du système. L objectf de cette subdvson est toujours l améloraton de l esthétque de l affchage de la structure du système à étuder, mas cec n est pas l objectf prncpal de notre méthode car nous devons fare face à tout type de structure de réseau. S l est possble d extrare les hérarches de l ensemble des nœuds alors nous affchons successvement les nœuds dans les dfférents sous-ensembles du plus pett jusqu aux derners sous-ensembles qu contennent les nœuds feulles, et l algorthme FDP n est applqué qu à l améloraton de la poston des nœuds dans un sous-ensemble à la fos. Dans le cas contrare, nous dvsons drectement aux dfférents nœuds la plus grande sphère nscrte dans l espace d affchage. Par exemple, on peut avor la hérarche suvante : où H représente un sous-ensemble du nveau et O 1, O 2, O 3,, O n sont ses éléments : H 1 = {O 1, O 2, O 3,, O n } ; H 2 = {{O 11, O 12,, O 1n }, {O 21, O 22,, O 2n },, {O 1, O 2,, O n }}, H 3, H 4,, H n Une fos les noeuds groupés hérarchquement, l algorthme commence par l affchage des nœuds dans le premer sous-ensemble, c le sous-ensemble H 1, ces nœuds sont réparts dans la sphère ntale (S). Ensute les résultats du placement de ces noeuds sont utlsés dans le placement des noeuds du sous-ensemble suvant H 2, donc les noeuds {O 1, O 2,, O n } sont réparts dans la sphère S. Ans de sute jusqu à l affchage de tous les noeuds. Les avantages prncpaux de notre méthode sont la mnmsaton du crosement des lens, l unformsaton de la longueur des lens et l évtement des collsons. Nous avons développé une applcaton de vsualsaton qu permet d étuder les performances de l algorthme selon le type du graphe à représenter. Nous avons ntégré les mécansmes d exploraton pour faclter l analyse des graphes obtenus. Les fgures suvantes montrent quelques exemples de notre méthode de dstrbuton de sommets. 119

122 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes Fgure 3.2 : 110 sommets Fgure 3.3 : 305 sommets Fgure 3.4 : 606 sommets Fgure 3.5 : 1051 sommets Les fgures 3.2, 3.3 et 3.4 montrent des cas de graphes généraux qu représentent à la fos la structure hérarchque en arbre et la forte connexté des sommets parents. L affchage d un arbre, fgure 3.5, est plus facle car l algorthme postonne successvement les sommets du noeud racne jusqu aux nœuds feulles. 4.2 Evaluaton de la performance de l algorthme La plupart des algorthmes FDP sont utlsés dans la représentaton 2D de larges graphes, donc leur performance a été évaluée avec cette dmenson. Notre algorthme est conçu pour la 120

123 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes vsualsaton 3D de larges graphes, le tableau suvant montre que les performances obtenues sont acceptables pour l affchage de larges graphes par rapport aux autres algorthmes. Nombre de noeuds Nombre de lens Temps d exécuton (ms) Notre algorthme MLFDP Tableau 3.1 : Performances de l algorthme Ce tableau résume les résultats de notre expérmentaton dans l affchage des graphes avec notre méthode de dstrbuton et l optmsaton de la mnmsaton de l énerge totale. Ces résultats ont été obtenus à partr d un outl de smulaton qu permet d étuder la structure d un graphe. Avec cet outl, on peut confgurer le nombre de hérarches des nœuds du graphe, précser le nombre de sommets dans chaque hérarche et paramétrer la dmenson de l espace d affchage. Nous avons comparé nos résultats avec ceux de l algorthme MLFDP (Multlevel Force Drected Placement) [Walshaw, 2003]. Par rapport à MLFDP, notre algorthme affche une performance acceptable, mas l avantage de notre méthode de dstrbuton de sommets est qu elle permet de montrer la symétre dans la dsposton des sommets, elle permet auss de garder une unformté de la longueur de lens et enfn l n exste pas de problème de superposton des sommets. Au nveau de la foncton d énerge, l utlsaton du gradent conjugué avec la méthode de Fletcher-Reeves permet de mnmser effcacement l énerge totale du système. Notre algorthme permet donc de vsualser en 3D tout système dont la structure peut être modélsée en graphe. Nous avons développé un premer prototype de notre outl de vsualsaton utlsant cet algorthme qu sera détallé dans la secton suvante. 121

124 Nouvel algorthme de vsualsaton 3D de larges graphes Afn d amélorer la performance de notre algorthme, nous allons ntrodure dans l expresson de l énerge totale la noton de pods d un sommet qu est égal au nombre des lens ncdents. En effet, les sommets se trouvant dans une même hérarche peuvent avor des pods dfférents donc le volume des sphères qu les contennent dot auss être dfférent. L espace dédé à un sommet dot donc être proportonnel au nombre de sommets qu lu sont descendants. 4.3 Concluson du chaptre Pour proposer une nouvelle approche de vsualsaton de systèmes complexes tels que les réseaux nformatques, nous pensons que le melleur moyen de concevor des technques pouvant faclter les tâches d admnstraton est de réfléchr aux cnq questons précédentes (2.4). Selon le type du système, du phénomène ou de l événement à étuder, l exste des technques qu sont plus adaptées à leurs études. Les systèmes complexes comme les réseaux nformatques, les réseaux de télécommuncatons sont des systèmes dont les éléments ont une exstence réelle et dont les relatons structurelles entre eux sont clarement dentfées. La structure de tels systèmes donne une bonne base pour la vsualsaton car les éléments ont des formes concrètes. Dans cette thèse, nous avons chos de représenter en 3D sous forme de graphe la structure d un système complexe. En effet, le moyen le plus effcace pour comprendre la structure d un système complexe est l utlsaton des technques qu permettent de vsualser les caractérstques des ressources à gérer et de mettre en évdence les relatons hérarchques entre elles. Nous pensons que l algorthme que nous avons développé peut être utlsé pour la vsualsaton de tout système ou phénomène pourvu que les éléments soent ben structurés. Le problème prncpal de la vsualsaton des systèmes complexes est résumé par le problème rencontré pour l affchage d un large graphe qu n est autre que le nombre de sommets. En d autres termes le facteur prncpal de la complexté d un système est le nombre d éléments qu le composent. Proposer des technques permettant de vsualser effcacement un système complexe revent donc à offrr des moyens qu permettent de représenter graphquement les structures et les caractérstques des ressources à gérer ans que leurs comportements dynamques. 122

125 Envronnement de vsualsaton 3D Chaptre 5 : Envronnement de vsualsaton 3D Dans ce chaptre, nous allons présenter nos propostons pour faclter l exploraton de la structure d un système complexe. Nous assocons aux représentatons par graphes 3D de la structure du système à étuder des métaphores afn de faclter l exploraton. Nous proposons auss des mondes 3D pour affcher les caractérstques mportantes de chaque événement généré par les ressources. En effet, nous avons constaté dans l état de l art sur les outls qu utlsent l nterface du monde 3D que le problème majeur de ces outls est le manque de la représentaton des relatons hérarchques entre les éléments affchés. Ce problème handcape fortement l effcacté de ces technques lorsqu elles sont utlsées dans la vsualsaton des systèmes structurés tels que les réseaux nformatques. En fat, l est non seulement mpossble de comprendre la structure topologque du réseau à gérer mas l devent auss dffcle de navguer dans la scène 3D car on rsque à tout moment de perdre ses repères. Pour combler ce manque, nous avons développé l algorthme de vsualsaton 3D de la structure du réseau à étuder afn d offrr des représentatons effcaces permettant d avor des vues globales et d effectuer par la sute des analyses détallées. Nous allons assocer à ces représentatons en graphe des mondes 3D pour faclter la compréhenson du système à étuder et rendre ntutve la navgaton dans la structure. Notre objectf dans cette approche est de permettre la navgaton dans des scènes 3D en connassant à tout moment la poston dans la structure du système à étuder. L objectf prncpal de ces deux technques est de faclter la détecton de tout problème et dysfonctonnement afn de mantenr le bon fonctonnement des dspostfs. Le plus grand déf de la supervson d un système complexe est en fat de détecter la source d un événement et de l nterpréter pour trouver des solutons rapdement. Par conséquent, l affchage de la structure du système à étuder dot permettre non seulement de comprendre faclement les relatons structurelles entre les éléments mas auss de vsualser drectement le changement d état de ces éléments. Pour fare face à ce problème, nous proposons deux approches : la premère consste à permettre d étuder unquement les événements ntéressants par l utlsaton de systèmes de fltrage et de confguraton de la vsualsaton. La deuxème approche est la représentaton des caractérstques d un événement dans un monde 3D pour 123

126 Envronnement de vsualsaton 3D permettre de l dentfer faclement au travers des tros axes qu représentent l objet source, les proprétés modfées et le moment exact de l occurrence de cet événement. Ce chaptre se dvse donc en cnq sectons : la premère secton se propose d étuder l envronnement de développement de notre applcaton. La deuxème secton est consacrée aux envronnements de vsualsaton 3D et méthodes de navgaton que nous avons proposés. Nous étudons dans la trosème secton des méthodes de fltrage des événements ntéressants selon les besons de l utlsateur. Nous proposons dans la quatrème secton un monde 3D qu permet d étuder faclement les caractérstques de chaque événement. Nous étudons dans la cnquème secton les avantages du langage Java3D pour le développement d une applcaton de vsualsaton, et nous termnons par des conclusons que nous pouvons trer de ces études. 5.1 Envronnement de développement Nous avons proposé dans cette thèse un prototype d outl de vsualsaton de réseaux complexes. Ic, nous fasons référence à la complexté non seulement au nveau de la talle du réseau à gérer mas auss de sa structure. Les nformatons de geston générées par les ressources (postes de traval, commutateurs, ponts, etc.) sont obtenues à partr de la plateforme de geston CAMELEON. Nous avons travallé sur la plateforme Grd 5000 qu est une structure qu regroupe pluseurs réseaux nformatques afn de partager des ressources géographquement dstantes. Grd 5000 est un ensemble de processeurs qu sont structurés en grappes (ou clusters) que les utlsateurs peuvent utlser pour réalser des expérences qu nécesstent une grande performance en calcul. Nous étudons dans cette secton la fonctonnalté de la plateforme de geston CAMELEON sur laquelle nous nous sommes appuyés L nfrastructure CAMELEON Au leu d aller re-développer une nouvelle nfrastructure, nous pensons qu l est plus avantageux de nous appuyer sur des outls déjà développés par une autre équpe du laboratore et qu proposent toutes les réponses aux exgences de la geston des systèmes complexes telles que l homogénésaton des nformatons de geston et la pérennté des solutons proposées par l utlsaton des technologes standards. En effet, actuellement le problème de la geston des systèmes complexes n est pas seulement l augmentaton de volume de données générées par les ressources à gérer mas surtout l hétérogénété de ces nformatons. Il est donc nécessare de dsposer des moyens qu permettent d avor une vue homogène des nformatons de geston 124

127 Envronnement de vsualsaton 3D pour faclter leur explotaton va, par exemple, leur représentatons vsuelles. Nous avons chos l nfrastructure CAMELEON [Monrozer, 2001] comme plateforme de geston pour faclter l accès aux ressources à gérer et surtout pour avor des vues homogènes des nformatons de geston. Développée par le CNES (Centre Natonal d Etudes Spatales) en collaboraton avec l équpe SIERA (Servce IntEgraton and network Admnstraton) de l IRIT et la socété Alcatel, l nfrastructure CAMELEON propose des solutons pour la supervson des systèmes complexes par l utlsaton des technologes orentées objets telles que CORBA et Java. Elle s appue également sur des standards ssus du monde de la geston de systèmes complexes comme WBEM 19, CIM 20, OSI 21. Il est donc mportant de s appuyer sur des technologes standard dans le développement des applcatons de vsualsaton pour assurer la pérennté des solutons proposées. Sans entrer dans les détals de l nfrastructure proposée par CAMELEON, nous allons explquer brèvement dans cette secton le concept qu elle met en œuvre. La plupart des outls d admnstraton de réseaux sont en général conçus pour la geston des plateformes ou des dspostfs partculers. En conséquence, pluseurs varantes d un même module sont développées afn de prendre en charge les dfférentes plateformes, ce qu n est pas très effcace. En effet, le tratement des données générées par les dspostfs et la mantenance de ces modules devent une charge supplémentare pour les admnstrateurs. Pour évter ce genre de problème, nous nous sommes appuyés sur la plateforme CAMELEON qu offre une vue homogène de toutes les nformatons de geston ndépendamment des ressources qu les génèrent [Dodo, 2006]. Développée dans le cadre du projet SUMO (SUpervson et Maîtrse du fonctonnement des Opératons), la plateforme de geston CAMELEON a été conçue dans l objectf de proposer de nouvelles approches de geston des systèmes complexes tels que les systèmes spataux qu mettent en œuvre des ressources au sol et des satelltes dont le nombre ne cesse d augmenter. La plateforme proposée dot donc répondre à certanes exgences afn de permettre la geston de n mporte quel type de ressource. Pour cela des technologes standard sont utlsées afn de rendre possble et facle l accès aux ressources à gérer et d offrr des vues homogènes des 19 Web-Based Enterprse Management 20 Common Informaton Model 21 Open System for Interconnecton 125

128 Envronnement de vsualsaton 3D nformatons qu elles génèrent. Les quatre exgences que dot satsfare l nfrastructure CAMELEON sont alors l homogénésaton des nformatons de geston, l utlsaton des technologes standard pour assurer la pérennté des solutons, la forte capacté d ntégraton des systèmes exstants et une approche par réutlsaton et factorsaton. L unque soluton pour satsfare ces exgences est la fuson des technologes standard comme CORBA pour permettre non seulement l accès aux ressources à gérer mas auss répercuter à ces ressources les actons effectuées au nveau des nformatons de geston. La portablté et la pérennté des solutons proposées sont auss assurées par l utlsaton du langage Java comme langage de développement Le modèle d nformaton CIM Afn d offrr des vues homogènes des nformatons de geston et de satsfare les exgences d ntégraton, le modèle d nformaton CIM [CIM, 2005] et l archtecture WBEM [WBEM, 2008] sont les solutons qu ont été choses. Le modèle d nformaton et l archtecture proposée sont tous deux des standards proposés par le consortum ndustrel DMTF 22 qu regroupe la plupart des socétés de constructon de matérels nformatques et des socétés de développement de logcels dont l objectf est de proposer des solutons communes face à l hétérogénété des matérels et des systèmes d explotatons ans que des applcatons. Le modèle d nformaton CIM a été développé dans l objectf de fournr une vue unque des nformatons de geston afn de résoudre le problème d hétérogénété des plateformes et des dspostfs. CIM est un modèle basé sur des concepts structuraux provenant du paradgme objet tels que le schéma, la classe, la proprété, la méthode, la référence et l assocaton. D autres concepts spécfques sont auss proposés afn d exprmer les contrantes et la dynamque entre les éléments modélsés (trgger, ndcaton). A partr de ces grammares, DMTF propose tros nveaux d abstracton pour modélser un système : le " core model ", les " common models " et les "extenson models". Le "core model" ntrodut les classes de haut nveau qu permettent d organser les éléments à gérer en éléments physques et éléments logques. Les "common models" sont les extensons du "core model" pour les domanes de geston tels que le système, l applcaton, le réseau, l équpement physque et l équpement 22 DMTF: Dstrbuted Management Task Force, 126

129 Envronnement de vsualsaton 3D fonctonnel. Enfn, les "extenson models" sont les extensons des "common models" dans les domanes technologques relatfs à l mplémentaton technologque des éléments gérés. Les ressources à gérer et leurs relatons sont donc défnes et modélsés à partr de tous les éléments défns dans les tros couches. L nfrastructure CAMELEON (Fgure 4.1) est basée sur un bus logcel ou bus de connassance qu n est autre que l extenson du bus CORBA pour permettre l accès aux nformatons de geston quelque sot le type de ressources qu les génèrent, et répercuter les opératons nvoquées sur ces nformatons aux ressources réelles. Fgure 4.1 Archtecture de la plateforme CAMELEON L archtecture WBEM permet l organsaton dstrbuée d une applcaton de geston grâce à deux enttés de geston appelées OM (Object Manager) et OP (Object Provder). Une OP est responsable de l ntégraton d un envronnement de geston. Les OP assurent la communcaton avec les dspostfs hétérogènes afn d offrr une vue homogène de ces envronnements (Unx, Wndows, envronnement de geston SNMP, annuare LDAP, etc.). Ans, l y a autant d Object Provder que d envronnements à gérer, c'est-à-dre qu à chaque 127

130 Envronnement de vsualsaton 3D type d envronnement à ntégrer correspond une entté Object Provder. Une OM est une applcaton qu prend en charge les dfférents domanes de geston (sécurté, performance, etc.). Elle est matéralsée par une base de données dans laquelle sont stockées toutes les nformatons de geston qu sont décrtes et modélsées à l ade du modèle CIM. Les deux enttés de geston proposent toutes des nterfaces générques basées sur le concept orenté objet (classe, proprété, méthode, etc.) dans l organsaton des nformatons de geston. Basé sur le paradgme objet, le modèle d nformaton CIM offre un haut nveau d abstracton qu permet d avor des vues homogènes des nformatons générées par les ressources hétérogènes. A travers le modèle CIM, DMTF propose auss des concepts spécfques qu complètent la spécfcaton des éléments de base (classe, proprété, méthode) par l ajout des nformatons sémantques appelées qualfcatfs qu exprment des contrantes sur ces éléments. La dynamque des ressources à gérer est auss exprmée à partr des qualfcatfs, par exemple tout événement généré par une ressource est exprmé en terme d ndcaton dont le déclenchement peut être confguré. Avec la plateforme CAMELON, les nformatons de geston d un système complexe sont alors décrtes dans des fchers textes défns avec le modèle CIM qu seront ensute tradutes en objets Java grâce à des complateurs spécaux. Nous avons chos de nous appuyer sur cette plateforme car nous pensons qu l est mportant de proposer des technques de vsualsaton assocées avec des moyens qu permettent de gérer de manère unque des envronnements hétérogènes ndépendamment de leur type. La pérennté et la portablté des solutons proposées par une telle plateforme permettent d adapter les outls de vsualsaton à la geston de n mporte quel système complexe. 5.2 Navgaton dans la scène 3D Pour des systèmes structurés tels que les réseaux nformatques, les technques de vsualsaton proposées dovent permettre d étuder en détals la structure du système enter. La technque la plus effcace pour ce genre de système est la représentaton par graphe, mas l faut en même temps proposer des méthodes qu permettent de représenter une large structure. C est pour cette rason que nous avons proposé la nouvelle verson de l algorthme FDP afn de fare face à la complexté de la structure des réseaux nformatques. 128

131 Envronnement de vsualsaton 3D Nous devons donc offrr en premer leu une vue globale (Fgure 4.2) afn de permettre d dentfer faclement la structure du système à étuder. A partr de cette vue, on peut utlser les mécansmes de transformaton de vues tels que le zoom, la rotaton et la translaton pour obtenr plus de détals de l affchage. Nous avons chos la représentaton 3D car elle permet de représenter effcacement plus d éléments dans l affchage. Il est donc plus facle d affcher une structure large et complexe dans un espace rédut. Nous avons assocé à chaque élément affché des menus contextuels qu permettent de confgurer les détals de la vsualsaton selon les besons de la supervson. La structure d un système complexe est exprmée par les types de relatons entre les éléments qu le composent. En général, l y a deux types de relaton : les relatons d assocaton qu exprment la dépendance entre les éléments et les relatons de composton qu permettent de modélser la hérarche entre eux. Donc nous nous sommes basés sur ces relatons pour explorer la structure du système à étuder. Fgure 4.2 : Vue globale du système à étuder 129

132 Envronnement de vsualsaton 3D Notre proposton consste donc à assocer les deux méthodes d exploraton de la structure d un système complexe : la premère méthode permet d affcher les détals de la structure topologque par la confguraton du type des relatons, et la deuxème permet d explorer le système avec des salles 3D qu affchent la dsposton des dfférents éléments selon leurs nveaux hérarchques. Pour explorer la structure du système on utlse le menu «Relatonal vew», et les types des relatons entre les éléments sont affchés sur une nterface textuelle (Fgure 4.3). En chosssant par exemple les relatons de composton on obtent l affchage 3D sous forme d un arbre de la structure des éléments formant l objet sélectonné (Fgure 4.4). L objet sélectonné est donc placé au centre de l affchage et les éléments qu le composent sont dsposés autour. De même, on peut affcher la structure de dépendance entre l objet sélectonné et les autres objets, on peut auss centrer l affchage unquement sur l objet sélectonné en affchant tous les objets qu lu sont en relaton (composton et assocaton). Fgure 4.3 : Confguraton de vue La deuxème méthode d exploraton de la structure du système à étuder est l utlsaton des salles 3D. Le menu «Vrtual vew» permet de représenter dans une salle 3D tous les éléments qu consttuent l objet sélectonné. 130

133 Envronnement de vsualsaton 3D Fgure 4.4 : Affchage de composton Fgure 4.5 : Exemple d une salle 3D 131

134 Envronnement de vsualsaton 3D La fgure 4.5 par exemple montre la dsposton dans une salle 3D des éléments d une parte de la grlle «GRID_Rennes». A partr de cette salle, on peut accéder aux autres salles qu représentent les éléments des autres grlles. Pour cela, on peut clquer drectement sur une porte qu porte le nom de l élément ou approcher de cette porte. Dans le cas d une structure complexe ou d une large structure, nous avons ms un repère sur l élément affché dans la représentaton en graphe (Fgure 4.6) dont la structure est affchée dans une salle 3D. De cette façon, l utlsateur sat à tout moment dans quelle parte de la structure du système étudé l se trouve. L élément exploré est donc entouré par un cercle dans la représentaton en graphe et ce cercle se déplace sur chaque élément chos. Fgure 4.6 : Navgaton dans la structure d un système Une nterface textuelle (Fgure 4.7) est auss accessble à partr du menu pour offrr la descrpton détallée de chaque élément affché. On peut auss modfer l apparence d un 132

135 Envronnement de vsualsaton 3D élément ou d un groupe d éléments selon les besons de l analyse à effectuer. Nous avons utlsé des métaphores vsuelles qu permettent de comprendre faclement la structure d un système. Tous les éléments qu ont une exstence physque sont représentés à l ade de leurs formes réelles. Selon les besons de l utlsateur, on peut confgurer l apparence d un objet ou d un groupe d objet, par exemple on peut représenter tous les processeurs par des rectangles ou des sphères. On peut auss utlser des objets VRML pour représenter une famlle d objet. Nous avons proposé cette possblté pour permettre de vsualser n mporte quel type de système complexe. Les utlsateurs peuvent donc chosr les métaphores à utlser selon le type du système à étuder et l élément à affcher [Dodo, 2007a]. Pluseurs chox sont offerts : des prmtves géométrques comme sphère, cube, cylndre et cône pour représenter des objets qu n ont pas d exstence physque (système d explotaton, applcaton, etc.). On peut auss utlser des formes plus complexes développées avec d autres outls, par exemple des objets VRML (wrl), Wavefront (obj) ou Lghtwave3D (lws). Fgure 4.7 Descrpton textuelle d un noeud Affcher des nformatons textuelles sur les ressources à gérer permet d amélorer la compréhenson du système à étuder. Ces nformatons sont ntéressantes car elles permettent d avor plus de détals sur les éléments affchés (type, état, sous-réseau d appartenance, etc.). Seules les nformatons nécessares qu permettent d dentfer un élément sont affchées pour évter la surcharge et donc la saturaton de l affchage. 133

136 Envronnement de vsualsaton 3D 5.3 Fltrage des événements Les éléments matérels et logcels qu forment un système génèrent des messages qu on appelle des événements. Ces événements véhculent toutes les nformatons sur le comportement et la performance du système à étuder, donc ls sont les seuls moyens qu permettent de connaître en temps réel l état de chaque ressource à gérer. Le problème commun de la geston des systèmes complexes est le volume de messages générés par les éléments matérels et logcels. La premère approche que nous proposons pour fare face à ce problème est le fltrage des événements utles car l ne serat jamas possble n ntéressant de les analyser tous. Pour cela nous proposons des nterfaces qu permettent de défnr les caractérstques des événements ntéressants pour la geston selon les besons de l utlsateur. Avec ces nterfaces on peut précser sur quelle classe d élément du système on veut effectuer des analyses et quelles sont les proprétés qu peuvent représenter le changement à surveller. Ensute, on peut affner les crtères de déclenchement des événements à surveller en postonnant des condtons logques sur les proprétés de la classe de l élément cble. Les méthodes que nous proposons sont basées sur le système de requêtes CQL (CIM Query Language), en effet tous les crtères de déclenchement des événements sont traduts par la plateforme CAMELEON (la plate forme sur la quelle nous nous sommes appuyés pour réalser nos expérmentatons, secton 4.1) en expressons CQL et nous représentons ensute les résultats obtenus en tros dmensons sous forme d anmaton. Dans la fgure 4.8, le champ "Class" permet de précser la classe des éléments qu peuvent être sources des événements à gérer. Il exste pluseurs types d événement qu peuvent modfer l état et le comportement d un élément, avec le champ "Type" on peut défnr s on veut s ntéresser à la mse à jour d une proprété des nstances d une classe, à la suppresson ou à la créaton d une nstance. Chaque ressource à gérer est modélsée par une nstance de classe dont les proprétés représentent ses caractérstques. On peut donc créer pluseurs crtères sur les proprétés d une classe pour connaître les éventuels changements d état d une ressource. Par exemple, on peut connaître les états de tous les postes de traval dont la charge du ou des processeur(s) attent une certane lmte. On peut auss connaître les postes de traval dont l état est crtque sute à un quelconque dysfonctonnement. A l ade des menus contextuels assocés à chaque élément, on peut auss créer des fltres pour connaître la performance ou les changements d état d un élément partculer. Les fltres sont ensute 134

137 Envronnement de vsualsaton 3D traduts en requêtes CQL qu seront envoyées à la base de données de la plateforme de geston. Fgure 4.8 : Confguraton de requêtes de fltrage d événements En général, la plupart des outls d admnstraton de réseaux sont basés sur le paradgme manager/agent qu utlse le modèle "Pull" pour connaître les états et la performance des ressources. Avec ce modèle, l applcaton clente (le manager) envoe des requêtes au serveur (agent) qu va répondre par la sute de manère synchrone ou asynchrone. L nconvénent de cette méthode est la saturaton du trafc réseau lorsque le nombre des éléments à gérer devent assez mportant car le serveur dot scruter contnuellement chacune des ressources. Dans cette thèse, nous nous sommes appuyés sur le modèle de geston d événements de la plateforme CAMELEON [Brosn, 2004] qu utlse le modèle "Push". Contrarement au paradgme manager/agent, le modèle "Push" est basé sur le paradgme de publcaton, d abonnement et de dstrbuton. Dans une premère étape, les agents (applcatons serveurs) nforment les clents du type de notfcaton qu ls peuvent générer, ensute les clents (applcatons managers) s abonnent aux données pouvant être sources d événements qu les ntéressent tout en spécfant la fréquence de la récepton des notfcatons. Par la sute, les agents envoent aux clents les résultats de leurs abonnements. 135

138 Envronnement de vsualsaton 3D Les requêtes formulées au nveau des nterfaces graphques pour fltrer les événements nécessares aux actvtés de geston sont ensute envoyées aux agents sous formes d abonnements. Selon l apparton des événements qu correspondent aux crtères fxés dans les requêtes, des notfcatons sont ensute envoyées par les agents aux applcatons clentes abonnées. Au leu d nterpréter textuellement les nformatons contenues dans les notfcatons, nous avons proposé quelques types d anmaton pour attrer rapdement l attenton de l utlsateur. En effet, l anmaton consttue un autre facteur de l effcacté de la vsualsaton de données. La plupart des systèmes de vsualsaton de données produsent dynamquement des changements sute aux actons effectuées par l utlsateur. Ic au contrare, l anmaton est générée sute à un changement automatque de certanes caractérstques d un élément graphque qu représente une donnée. De nombreuses études ont été effectuées afn de détermner quand, comment et pour quel type de données on peut utlser des anmatons dans la vsualsaton. Nakakoj [Nakakoj, 2001] a montré que l anmaton produt des effets cogntfs et faclte l analyse des données. On utlse souvent l anmaton pour mettre en évdence des changements de caractérstques des données dans le temps. Par exemple, une anmaton peut consster en un changement de couleur, de forme ou des cordonnées de l élément graphque qu représente la ressource à gérer. Le premer objectf d une anmaton est d attrer l attenton de l utlsateur, ensute la façon dont se déroule et s effectue l anmaton dot montrer le changement d une ou des caractérstques des données. En général, le changement (crossance ou décrossance) dans le temps de la valeur d une donnée est représenté sous forme d anmaton, ce qu est plus effcace par rapport à des dagrammes ou des affchages textuels car l attenton humane est très sensble au changement présenté sous forme d anmaton. Nous avons proposé tros types d anmaton pour mettre en évdence l apparton des événements. En effet, notre premer objectf est de faclter la détecton vsuelle des objets sources des événements. Comme l exste pluseurs types d événement, nous avons alors proposé des moyens qu permettent aux utlsateurs de confgurer l apparence de chaque type d événement. Par exemple, on peut utlser une sphère englobante dont la transparence vare contnuellement, on peut auss représenter l apparton d un événement sous forme d une onde crculare. Enfn un autre type d anmaton que nous avons proposé est l anmaton de partcule. Toutes ces anmatons peuvent être assocées à des sons pour attrer encore plus l attenton de l utlsateur. Par exemple, la fgure 4.9 montre l nterface de confguraton de 136

139 Envronnement de vsualsaton 3D l apparence des événements. Un événement est caractérsé par le type de mse à jour de la proprété de la classe de l élément cble (UPDATE, CREATE, DELETE). Pour chaque type d événement, on peut chosr son apparence à affcher sur l objet source. Fgure 4.9 : Confguraton de l apparence d un événement Dans le cas des objets représentés par des prmtves graphques (cube, cylndre, cône, etc.), on peut chosr l apparence d un événement par un changement de couleur. Pour les objets représentés par des formes plus complexes, on peut utlser des messages sous forme d onde crculare, sphérque ou d anmaton de partcule et la valeur par défaut est une anmaton sphérque. 5.4 Vsualsaton 3D des événements De nombreux outls ont été créés pour faclter l analyse des événements générés par les ressources d un système. En général, les outls utlsés dans ces actvtés représentent les caractérstques des données sources des événements sous formes de tableaux, de dagrammes, de statstques ou de courbes pour montrer la varaton dans le temps de la valeur d une ou des proprété(s) des données. Avec les possbltés technologques, des recherches ont montré que la représentaton en deux ou en tros dmensons des événements est plus 137

140 Envronnement de vsualsaton 3D effcace et faclte beaucoup leurs analyses. On constate cependant que la plupart de ces outls sont utlsés en geston de la sécurté (vor chaptre 1, secton ) alors que d autres événements générés par les ressources ont auss une grande mportance pour l analyse de la performance et du bon fonctonnement du réseau enter. Les événements générés par les ressources d un système véhculent toutes les nformatons nécessares aux actvtés de geston, par exemple les nformatons sur la sécurté du réseau, sur la performance, sur les quotas attrbués aux utlsateurs, etc. Proposer un outl permettant d analyser en même temps ces événements est une tâche très dffcle parce que chaque domane cble nécesste des analyses approfondes, c est pourquo nous proposons une autre approche car le premer effet d un événement est le changement d état de l élément source. Pour les systèmes dont la valeur des données peut varer dynamquement, le paramètre temps est très mportant pour les analyses car l permet de stuer le moment exact du changement d état de l objet source et ans de connaître faclement les causes et les conséquences sur la performance de cet objet. Afn d effectuer faclement des analyses approfondes sur un événement, l est donc mportant de mettre en évdence les changements d état de l objet source à travers le temps. Ans, notre approche consste à affcher dans un envronnement 3D l objet source de l événement, le type de l événement ans que les états ntal et fnal de la proprété modfée. Avec cette méthode, l est facle de comprendre le moment exact de l occurrence d un événement, la proprété modfée et les états ntal et fnal de cette proprété. Une approche smlare est celle proposée par l outl de geston de la sécurté de réseau [Erbacher, 2002] que nous avons vu au premer chaptre à la secton La plus grande dfférence de cette approche par rapport à la notre est la représentaton par graphe de la topologe du réseau. En effet, dans la fgure 1.14, l est mpossble d avor une vue compréhensble de la topologe du réseau tout en mettant en évdence les caractérstques d un événement. C est pourquo nous proposons unquement de présenter dans un envronnement 3D toutes les nformatons nécessares pour analyser faclement un événement. Au leu d affcher en même temps la topologe du réseau, nous pensons qu l est plus ntéressant de ne montrer que l objet source et les caractérstques des événements qu l génère. La fgure 4.10 montre l affchage 3D des événements. L objet source d un événement est placé au centre de l affchage, chaque événement est représenté dans un cercle qu représente la proprété modfée, les états ntal et fnal de cette proprété sont représentés par les pettes sphères. La date et heure de l apparton d un événement est affché à côté de chaque cercle qu l entoure. 138

141 Envronnement de vsualsaton 3D En clquant sur un élément contenu dans le cercle, on obtent la descrpton textuelle de l événement correspondant qu est affché sur un mur 3D. Fgure 4.10 : Vsualsaton 3D des événements Dans cette fgure, on a toutes les nformatons sur la ressource qu génère les événements affchés graphquement. Les éléments composants de la ressource sont affchés dans la parte gauche, et dans la parte drote sont affchés les éléments mmédatement en relaton avec cette ressource. On vot dans cette fgure que le poste de traval est formé par deux mcroprocesseurs. Tous les composants de l élément source des événements à vsualser et les éléments en relaton avec cet élément sont donc affchés drectement pour offrr plus d nformatons à l utlsateur. En effet, l est très mportant d affcher les nformatons nécessares à l analyse des événements au leu de les représenter sous forme textuelle. Présenter dans l affchage les éléments en relaton avec l élément source des événements permet d antcper quelles peuvent être les conséquences de ces événements sur les autres éléments. Les nformatons textuelles sur les éléments représentés dans la salle 3D sont 139

142 Envronnement de vsualsaton 3D affchés sur le mur central, pour cela l sufft de clquer sur un quelconque élément. Par exemple sur la fgure 4.10, un événement est décrt par la proprété de la ressource modfée, les états ntal et fnal ans que le moment exact de son occurrence. 5.5 Portablté de l applcaton Comme nous avons remarqué à travers les dfférentes technques de vsualsaton de réseaux présentées dans l état de l art, le chox des technques de représentaton 3D s mpose de façon évdente. En effet, ces technques ne permettent pas seulement de représenter des systèmes par des métaphores qu sont plus proches de la forme réelle des objets mas elles offrent surtout plus de possbltés dans l affchage de la structure des systèmes complexes. Actuellement les avancées technologques réalsées tant au nveau matérel (carte graphque, processeurs graphques) qu au nveau logcel (modeleur, moteur 3D) permettent de développer des envronnements de vsualsaton 3D de haute qualté, donc nous pensons qu l est bénéfque de profter de tous ces avantages. D alleurs les réseaux nformatques et/ou de télécommuncaton ne sont pas les seuls domanes d applcaton des technques de vsualsaton 3D. Tous les domanes du méda (cnéma, publcté, jeux vdéos, etc.) et les domanes scentfques ont tous connus cet engouement à un pont tel que les technques de représentaton 2D sont souvent consdérées aujourd hu comme obsolètes. Pour créer une applcaton 3D, l exste deux façons dstnctes : la premère consste à programmer un moteur 3D en fasant ou non appel à une bblothèque de fonctons 3D pour accéder à l accélératon graphque. La deuxème utlse un logcel qu peut lre drectement une descrpton de scène 3D. En général, la premère méthode est la plus utlsée car elle permet de créer rapdement des scènes 3D nteractves. Nous allons présenter c-dessous les ponts forts et les ponts fables de l API (Applcaton Programmng Interface) Java 3D que nous avons chos pour réalser nos expérmentatons. Java3D Développée par Sun Mcrosystems en 1998, Java3D est une bblothèque de classes d objets qu offre aux programmeurs des constructeurs de haut nveau permettant de créer et de manpuler des scènes 3D. Contrarement aux autres API comme Drect3D et OpenGL, Java3D n a pas une mplémentaton propre à elle mas dspose des supports natfs aux deux autres API. Proftant des atouts de Java, Java3D offre des avantages tels que la caractérstque 140

143 Envronnement de vsualsaton 3D mult-plateforme, la faclté de développement de jeux en réseau qu est dffcle à réalser avec OpenGL et Drect3D, et enfn la créaton d applets contenant des anmatons 3D. Java3D se déclne en deux varantes : une mplémentaton sur OpenGL et une sur DrectX. Les partes bas nveau du rendu (sommet et pxel) sont prses en charge par les API (OpenGL ou DrectX), tands que les opératons logques et les nteractons sont effectuées au nveau de Java. Java3D profte à la fos des possbltés offertes par les API de bas nveau et de tous les avantages proposés par Java. Ce qu permet de créer des applcatons 3D ndépendantes des plateformes et des matérels avec une vtesse de rendu suffsamment acceptable. Graphe de scène Java3D Le graphe de scène de Java3D est un graphe orenté et non cyclque. Les relatons entre les éléments graphques sont de type père-fls qu ne contennent aucune boucle. Dans ce sens chaque nœud de la scène ne possède qu un seul nœud parent. Ce prncpe est nspré du caractère orenté-objet de Java qu permet aux programmeurs de rasonner totalement en terme d objet plutôt qu en terme de polygones, et également à la composton de la scène qu à la manère dont sera effectué le rendu. En Java3D, l exste deux catégores de nœuds : les nœuds groupes et les nœuds feulles. Les nœuds feulles contennent les défntons des objets 3D (géométres, sons, lumères, etc.) et ne possèdent qu un seul nœud parent. Ces nœuds ne dovent contenr aucun nœud enfant. Les nœuds groupes peuvent avor pluseurs nœuds enfant pour former un sous graphe enter mas ne dovent avor auss qu un seul nœud parent. Les nœuds groupes servent de conteneurs pour d autres nœuds groupes ou feulles qu sont en général des Shape3D. Ils assurent le postonnement et l orentaton de ses nœuds feulles qu se trouvent au nveau nféreur de l hérarche. Par exemple, les nœuds groupes BranchGroup permettent d ajouter ou de retrer des nœuds enfants tands que les nœuds TransformGroup permettent de les postonner et de les orenter (Fgure 4.11). Ponts fort de Java3D : - Le graphe de scène de Java3D permet aux programmeurs de se concentrer unquement dans la concepton de l applcaton au leu de s occuper du rendu et des autres caractérstques graphques. Un graphe de scène de Java3D supporte des éléments graphques complexes tels que les géométres 3D, les comportements, les anmatons (behavors) et les outls de pckng (manpulaton ndvduelle des éléments affchés). Par rapport aux autres API, Java3D permet d effectuer sans dffculté la détecton de collson, ce qu n est pas très évdent à réalser avec 141

144 Envronnement de vsualsaton 3D OpenGL et DrectX. Elle permet donc aux programmeurs, débutants ou expérmentés, de développer rapdement des applcatons et des applets sophstquées. Pour créer une applcaton avec Java3D, l sufft de créer des objets graphques et ensute de les connecter pour former un graphe de scène. VrtualUnverse Peut être remplacée par SmpleUnverse Local Graphe de scène BG BG Nœud BranchGroup Rotatons TG TG Nœud TransformGroup Vew Nœud Behavor Shape3D VewPlatform Canvas3D Géométre Apparence Fgure 4.11 : Exemple d un graphe de scène smple avec Java3D 142

145 Envronnement de vsualsaton 3D Nœuds et relatons Unvers vrtuel Local Groupe Autre noeud Feulle Nœud composant Référence Père-fls Fgure 4.12 : Symboles des nœuds de graphe de scène avec Java3D - La performance : Java3D a été créée pour le développement des applcatons 3D performantes. Cec est effectué par les dfférentes possbltés d optmsaton de graphe de scène et l appu sur les bblothèques de bas nveau d OpenGL et de DrectX. L optmsaton des graphes de scène s effectue en postonnant des bts qu permettent de précser quelle opératon est à exécuter ou non. Comme les autres APIs, Java3D offre auss pluseurs modes de rendu : le mode mmédat, le mode retenu et le mode combné (mmédat et retenu). Le mode mmédat sert à précser des prmtves de base que le moteur 3D dot trater mmédatement. Avec ce mode, l est possble de ne pas utlser de graphe de scène. Grâce au rehaussement du nveau d abstracton, Java3D accélère le rendu de chaque objet ben que la place réservée aux optmsatons sot relatvement pette. Le mode retenu est plus flexble que le mode mmédat car le graphe de scène est entèrement manpulable mas le temps de rendu est plus mportant. Il est possble d ajouter, d effacer ou d édter un nœud après l exécuton dont la mse à jour est mmédatement vsble à l écran. La méthode comple() du nœud BranchGroup par exemple permet d optmser ses sous arbres. Le mode combné ou retenu complé permet au moteur Java3D de lancer une sére d optmsatons complexes comme le groupement et la compresson d objets graphques. Ce mode offre une melleure performance de rendu mas perd en flexblté lée aux possbltés d accès et de modfcaton des objets après la complaton du programme. - Nouvelles caractérstques : avec Java3D, le monde vrtuel et le monde physque sont totalement séparés par les modèles de vue. Ce qu permet de confgurer faclement une applcaton pour l utlsaton des dspostfs d nteracton et d mmerson comme les lunettes ou les casques de réalté vrtuelle. La créaton et la geston de comportements (behavors) du monde vrtuel sont réalsées à l ade des nœuds Behavors qu offrent toute une varété de 143

146 Envronnement de vsualsaton 3D styles d anmaton basée sur des événements au leu des méthodes habtuelles basées sur les étapes clés (key frames). - Portablté : Java3D est par nature une API Java. Son mplémentaton sur OpenGL ou DrectX offre un haut degré de portablté et permet de rédure consdérablement le temps et le coût de développement. - Smplcté d ntégraton des éléments multmédas, de geston de réseaux, de reconnassance vocale grâce aux bblothèques Java. Ponts fables de Java3D : - La performance de Java3D lasse à désrer par rapport aux autres API telles que OpenGL et DrectX. Java3D n est pas une bonne opton pour créer des jeux vdéo nécesstant une grande performance de rendu malgré la faclté de geston de réseaux qu elle offre. On affecte souvent à Java la prncpale cause de la performance de Java3D. - Le nveau d abstracton de Java3D est trop haut pour permettre l améloraton de la performance de l applcaton à développer. Nous avons chos Java3D comme nterface de programmaton d applcaton 3D malgré son côté fable en performance de rendu par rapport aux autres APIs telles que OpenGL et DrectX. Ce chox est justfé par pluseurs rasons. La prncpale rason est que nous utlsons Java comme langage de programmaton, donc l nous paraît évdent de profter des avantages qu l offre lorsqu on l assoce à une API 3D qu propose, par nature, une concepton orentée objet. Nous pensons qu l est bénéfque de rasonner en terme d objet qu en terme de pxel dans le développement d une applcaton 3D. En effet, l effort nécessare au développement d une applcaton de vsualsaton d un système complexe est plus mportant lorsqu on utlse des APIs de bas nveau comme OpenGL. La performance ne dot pas être donc unquement mesurée en terme de rapdté de rendu mas auss en terme de complexté, de productvté, de faclté de mantenance et de portablté des codes. 144

147 Envronnement de vsualsaton 3D De même les réseaux nformatques sont devenus de plus en plus étendus, ce qu nécesste pluseurs admnstrateurs qu dovent collaborer ensemble pour assurer la bonne qualté de servce à offrr aux utlsateurs. En conséquence, un de nos objectfs à long terme est de permettre aux admnstrateurs d effectuer ensemble les tâches de geston et de supervson. 5.6 Concluson du chaptre Nous avons présenté dans ce chaptre nos propostons pour la vsualsaton des systèmes complexes. Sachant que la mse en évdence de la structure relatonnelle est d une mportance captale pour la vsualsaton des données structurées, nous avons applqué le nouvel algorthme basé sur le modèle masse-ressort que nous avons développé pour l affchage de la structure d un système complexe. Nous avons auss proposé des moyens qu permettent d explorer la structure d un système complexe. En chosssant le type de relaton à affcher, on peut confgurer le type de vue à générer selon les analyses à effectuer. On peut adapter faclement l outl que nous avons développé à la vsualsaton de n mporte quel type de système complexe pourvu que les données soent clarement structurées. Nous avons pu constater qu on peut résoudre le problème de l utlsaton des nterfaces du monde 3D s les représentatons proposées sont assocées avec des graphes qu représentent la structure du système à étuder. En effet, pour des systèmes structurés tels que les réseaux nformatques, le moyen le plus effcace pour analyser la performance et le comportement des ressources à gérer est la représentaton avec des graphes de la structure topologque. Mas une telle représentaton à elle seule ne sufft plus à fare face à la complexté des systèmes actuels. C est pourquo nous avons proposé d y assocer des envronnements 3D qu permettent d amélorer la connassance du système à étuder grâce aux métaphores qu offrent des représentatons plus proches de la réalté. Afn de faclter l analyse des événements générés par les ressources du système à étuder, nous avons proposé un envronnement 3D qu permet d analyser vsuellement les changements d état d un élément. Avec notre méthode, toutes les nformatons nécessares à l analyse d un événement sont affchées en 3D, ans, on peut effectuer drectement des analyses vsuelles de l objet source de l événement, des proprétés modfées et du moment exact de son occurrence. Il est alors facle de connaître le changement d état de chaque ressource du système à gérer et les proprétés modfées par les événements. 145

148 Envronnement de vsualsaton 3D Durant cette thèse, nous avons travallé avec l équpe de recherche en supervson de réseaux et nous leur avons montré notre concept pour la vsualsaton des systèmes complexes. Selon eux, l outl que nous avons développé permet de faclter la compréhenson d une large structure, en partculer l assocaton de la représentaton 3D en graphe avec des envronnements 3D apporte une grande améloraton pour l analyse et l exploraton du système à gérer. La confguraton des dfférentes vues, le paramétrage des événements ntéressants et surtout la vsualsaton 3D des caractérstques des événements répondent en grande parte à leurs attentes. Nous allons auss présenter aux admnstrateurs de réseaux les concepts que nous avons développés afn de connaître leurs avs sur l effcacté des technques de vsualsaton proposées. 146

149 Conclusons et perspectves Proposer un outl de vsualsaton qu permet d effectuer effcacement toutes les actvtés d admnstraton de systèmes complexes n est pas une tâche facle. Nous avons vu à travers les dfférents outls de vsualsaton que les avancés technologques sont les prncpaux facteurs de la complexté des réseaux nformatques. Actuellement le plus grand déf de l admnstraton ne résde plus en la collecte des nformatons de geston mas se stue surtout au nveau des moyens et méthodes qu permettent de les analyser rapdement afn d assurer le bon fonctonnement du système à gérer. D autre part, nous avons pu constater auss que les avancées technologques ont perms le développement de nouveaux outls qu proposent de nouveaux paradgmes pour faclter l analyse de la structure des systèmes complexes ans que les événements générés par les dfférentes ressources à gérer. Et grâce aux possbltés matérelles et logcelles, la dernère approche utlsée dans la vsualsaton des systèmes complexes essae de proposer des représentatons 3D du système et de l envronnement de geston afn de faclter la compréhenson de la structure de ce système et surtout d analyser toutes les nformatons relatves au bon fonctonnement des ressources. Afn d assurer l effcacté des technques de vsualsaton, nous avons défn l ordre de prorté entre les facteurs d une bonne vsualsaton des systèmes complexes tels que les réseaux nformatques. En effet, l effcacté d un outl de vsualsaton peut être évaluée selon ses capactés à mettre en évdence les relatons structurelles entre les éléments à gérer. Quelque sot la technque de vsualsaton à utlser, la premère caractérstque des données qu l faut oblgatorement prendre en compte est la relaton structurelle ntrnsèque. A partr de la connassance acquse sur la structure du système à étuder, on peut ensute effectuer des analyses approfondes sur le système par l exploraton des dfférents détals. Dans l objectf de fournr des moyens qu permettent de faclter l analyse de la structure des systèmes complexes, nous avons présenté un nouvel algorthme pour l affchage 3D de larges graphes. Notre algorthme est basé sur une nouvelle approche d optmsaton de l algorthme FDP afn d amélorer l affchage d un large graphe. En effet, l effcacté de la vsualsaton dépend totalement de la qualté de l affchage du graphe qu représente la structure du système à étuder. Avec notre méthode de dstrbuton des sommets, on peut affcher de larges graphes tout en tenant compte des crtères esthétques d affchage tels que l optmsaton de 147

150 l espace, l unformsaton de la dstance entre les sommets, l évtement de collson et la symétrque entre deux sommets. Pour amélorer la performance de notre algorthme, nous avons utlsé des méthodes d optmsaton qu permettent de rédure largement le temps nécessare à l affchage d un graphe. L objectf de notre approche est de proposer une bonne qualté d affchage de la structure du système à gérer afn de permettre aux utlsateurs d effectuer des analyses détallées. L algorthme que nous avons proposé permet d étuder tout type de structure qu peut s exprmer sous la forme d un graphe. On peut présenter la vue globale de la structure qu peut être modélsée sous forme d un graphe général (general graph), et à partr de cette vue on peut accéder aux détals de l affchage qu peuvent être affchés sous forme d arbre. Nous pensons que l algorthme que nous avons proposé peut être applqué à la vsualsaton de n mporte quel type de système pourvu que les éléments soent ben structurés. En effet, l est auss facle d affcher des données structurées hérarchquement en arbre qu en graphe général avec notre algorthme. Nous avons développé cet algorthme dans le but de fare face à tout type de structure de système complexe. Le seul type de graphe que nous n avons pas testé avec cet algorthme est le graphe orenté. Sachant qu l devent de plus en plus dffcle de vsualser dans un espace rédut la structure d un système complexe, nous avons proposé des moyens qu permettent aux utlsateurs de confgurer les dfférentes vues qu les ntéressent. Notre méthode consste donc à confgurer les vues à générer selon le type des relatons entre les ressources à gérer. De cette manère, l est plus facle d analyser comment sont structurés les éléments qu composent une ressource partculère et quels sont les autres éléments avec lesquels cette ressource est en relaton. L objectf de notre recherche état d étuder l apport de la vsualsaton 3D dans l admnstraton des systèmes complexes, donc nous avons dû en premer leu résoudre le problème majeur des technques qu proposent cette approche. Nous avons assocé, aux représentatons 3D de la structure du système, des mondes 3D qu permettent d analyser plus en détal la structure à étuder. Il devent donc plus facle d explorer le système à étuder car on ne peut plus auss faclement perdre repère grâce à la mse en évdence de l élément affché sur le graphe qu correspond à l élément étudé dans la scène 3D. On peut navguer 148

151 dans la scène 3D en connassant à tout moment dans quelle parte de la structure en graphe on se trouve. Un autre objectf mportant de la vsualsaton des systèmes tels que les réseaux nformatques est de faclter l analyse et l nterprétaton des événements générés par les ressources. En effet, l ne sufft pas seulement de connaître la structure du système mas l faut surtout assurer son bon fonctonnement. Donc l est mportant d offrr des moyens qu permettent d analyser les événements générés par les ressources. Notre approche consste à proposer un nouveau paradgme qu permet d analyser tout type d événement au leu de nous focalser sur un domane de geston partculer. C est pourquo nous avons proposé des représentatons 3D pour permettre d étuder les caractérstques d un événement en nous basant sur le changement d état de la ressource qu le génère. Il est donc plus facle d analyser tous les événements qu changent l état d une ressource pusque les représentatons 3D que nous avons proposées permettent de stuer le moment exact de leurs occurrences, les états ntal et fnal de la proprété modfée et l objet source qu est présenté au centre de l affchage. Nous avons constaté que les représentatons 3D sous forme de salles 3D permettent de faclter l analyse de chaque événement car elles permettent de vsualser drectement toutes les nformatons nécessares à son analyse. Avec la présence de plus en plus mportante des technologes de l nformaton dans notre ve quotdenne, les tâches d admnstraton de réseaux seront de plus en plus complexes car nous vvons actuellement dans un monde qu dépend totalement de la technologe de l nformaton. Nous avons pu constater les lmtes des outls actuellement utlsés pour l admnstraton de ces systèmes. La nouvelle approche qu peut ader à la compréhenson de la structure de tels systèmes est l utlsaton des envronnements 3D qu permettent aux utlsateurs d avor une vue synthétque du système à gérer et d nteragr auss faclement avec les ressources à gérer au leu de rester en tant qu observateurs dstants. Mas l faut mpératvement assocer à ces technques des moyens qu permettent de mettre en évdence les relatons structurelles entre les données. On constate que, pour des rasons dverses, les technques de vsualsaton 3D sont encore en général au stade de l expérmentaton s on parle du domane de l admnstraton de réseaux. En effet, l effcacté de ces technques est encore très handcapée par la performance nécessare à l affchage 3D d une large structure. 149

152 Perspectves Il exste pluseurs axes qu on peut exploter pour la sute des travaux présentés dans cette thèse. Premèrement, l algorthme que nous avons présenté peut être améloré largement pour être mplémenté dans un outl d étude de la structure de graphes complexes. On peut développer un envronnement 3D pour étuder la structure de larges graphes pour offrr tous les moyens de confguraton des caractérstques, par exemple le nombre des sommets dans chaque hérarche ou l orentaton des lens. En fat, l avantage de dsposer d un tel outl est qu on peut déjà évaluer à l avance la performance de l algorthme lorsqu l est utlsé dans la vsualsaton d un système complexe réel. On peut auss amélorer la méthode de dstrbuton de sommets dans un espace 3D en prenant en compte la forme réelle de chaque élément d un graphe. C'est-à-dre, qu on peut trouver des moyens qu permettent de tenr compte de la talle ou du volume de chaque sommet. En effet, la talle et la forme des éléments affchés sont des paramètres très mportant dans la compréhenson d une structure. Le deuxème axe qu on peut exploter est la dstrbuton de l applcaton afn de permettre à pluseurs utlsateurs de collaborer à la geston et la supervson d un système complexe. En effet, l peut être plus ntéressant de proposer une applcaton qu permet aux responsables d avor une vue unque du système à étuder et de collaborer pour la résoluton d un problème. La plateforme CAMELEON que nous avons utlsée prend déjà en charge la geston des utlsateurs, l faut développer des modules qu permettent de gérer la manpulaton des objets affchés et la notfcaton des actons effectuées par les utlsateurs dans l nterface graphque. L objectf est que tous les utlsateurs aent la même vue du système en temps réel. Pour cela, l faut utlser des méthodes pour gérer les flux de données échangés par les utlsateurs pour ne pas saturer le réseau, et l faut auss utlser des moyens qu permettent aux utlsateurs d être notfés unquement par les nformatons qu les ntéressent. En effet, chaque utlsateur peut être responsable d un domane de geston partculer, donc les autres événements sur les autres domanes peuvent ne pas l ntéresser. L utlsaton des outls d mmerson est une drecton qu on peut exploter pour l analyse des événements générés par les ressources. En effet, la performance et le comportement d un système sont représentés par les dfférents événements générés par les ressources, donc l peut 150

153 être plus facle d analyser ces événements s on utlse des outls d mmerson comme les casques de la réalté vrtuelle. On peut donc créer des nterfaces 3D qu permettent en même temps de représenter la structure du système à étuder et d affcher les événements générés par les dspostfs. L envronnement de vsualsaton que nous avons proposé permet d mplémenter faclement les applcatons pour ploter les outls d nteracton pusque nous nous sommes basés sur l API Jav3D qu offre cette possblté. Il peut être donc très ntéressant d assocer l envronnement 3D avec des technques de la réalté vrtuelle dans l étude d une structure complexe. Nous avons travallé, tout au long de cette thèse, avec l équpe de recherche en admnstraton de réseaux et ntégraton de servce (SIERA : Servce IntEgraton and network Admnstraton) de l IRIT. Cette collaboraton nous a perms d évaluer l ntérêt des approches que nous avons proposées pour la geston des systèmes complexes. Les prototypes que nous avons développés ont été testés sur une plate-forme réalsée par cette équpe et nous avons eu des retours très postfs. En effet, l algorthme que nous avons développé peut être applqué à la vsualsaton de tout type de système et non seulement de réseaux nformatques. Nous projetons de réalser des tests sur des réseaux à grande échelle afn d évaluer la performance de l algorthme de graphe que nous avons développé. Ces tests nous permettront auss de connaître les avs des utlsateurs sur l avantage des mondes 3D pour la vsualsaton de réseaux nformatques. 151

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167 AUTHOR: Meva DODO TITLE: A study on nterest three-dmensonal vsualsaton of complex systems management PhD SUPERVISOR: Jean Perre JESSEL PRESENTED AT: Toulouse (France), November 2008 The am of ths thess s to study new methods whch allow to mprove the understandng of complex systems structure and to analyze the varous events generated by ts resources. Three-dmensonal technques are proposed to easy the analyss of the structure of complex systems. A new algorthm for drawng, n 3D, large graphs s proposed n order to optmze the layout of a complex structure. Our method s based on the optmzaton of the forcedrected placement algorthm (FDP) that allows effectvely and aesthetcally dsplayng large graphs. Our second approach s to propose metaphors that allow to easly understand the dfferent events generated by devces. Ths approach s based on the three attrbutes that defne an event: what, when, where, and t s assocated wth flterng technques that choose nterestng events accordng to the management needs. KEYWORDS: Three-dmensonal Vsualsaton, Graph, Force-Drected Placement Algorthm SUBJECT: Computer Scence LABORATORY: IRIT, UPS, 118 route de Narbonne, Toulouse Cedex 4, France

168 AUTEUR : Meva DODO TITRE : Etude de l apport de la vsualsaton 3D nteractve pour l admnstraton de systèmes complexes DIRECTEUR DE THESE : Jean Perre JESSEL LIEU ET DATE DE SOUTENANCE : Toulouse, novembre 2008 Cette thèse propose de nouvelles méthodes qu permettent de faclter l analyse et la compréhenson de la structure des systèmes complexes ans que les dfférents événements générés par les ressources. Des technques de représentaton 3D sont proposées afn de permettre la vsualsaton de tout type de structure de systèmes complexes. Notre approche est matéralsée par un nouvel algorthme d affchage 3D de larges graphes. Cette algorthme est basé sur une nouvelle approche d optmsaton de l algorthme force-attracton-répulson (FDP) afn meux de dstrbuer les nœuds d un graphe dans un espace 3D, et nous l avons assocé à des méthodes d optmsaton afn d amélorer sa performance. La deuxème approche se propose d assocer à la représentaton 3D du graphe des mondes 3D qu facltent l analyse et l exploraton de la structure du système à étuder. MOTS CLES : Vsualsaton 3D, Algorthme force-attracton-répulson, Graphe DISCIPLINE ADMINISTRATIVE : Informatque LABORATOIRE : IRIT, UPS, 118 route de Narbonne, Toulouse Cedex 4, France