Solution Methods for Service Network Design with Resource Management Consideration

La gestion des ressources, équipements, équipes de travail, et autres, devrait être prise en compte lors de la conception de tout plan réalisable pour le problème de conception de réseaux de services. Cependant, les travaux de recherche portant sur la gestion des ressources et la conception de réseaux de services restent limités. La présente thèse a pour objectif de combler cette lacune en faisant l’examen de problèmes de conception de réseaux de services prenant en compte la gestion des ressources. Pour ce faire, cette thèse se décline en trois études portant sur la conception de réseaux. La première étude considère le problème de capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints(DBCMND). La structure multi-produits avec capacité sur les arcs du DBCMND, de même que ses contraintes design-balance, font qu’il apparaît comme sous-problème dans de nombreux problèmes reliés à la conception de réseaux de services, d’où l’intérêt d’étudier le DBCMND dans le contexte de cette thèse. Nous proposons une nouvelle approche pour résoudre ce problème combinant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et une procédure d’intensification de la recherche dans une région particulière de l’espace de solutions. Dans un premier temps la recherche tabou identifie de bonnes solutions réalisables. Ensuite la recomposition de chemin est utilisée pour augmenter le nombre de solutions réalisables. Les solutions trouvées par ces deux méta-heuristiques permettent d’identifier un sous-ensemble d’arcs qui ont de bonnes chances d’avoir un statut ouvert ou fermé dans une solution optimale. Le statut de ces arcs est alors fixé selon la valeur qui prédomine dans les solutions trouvées préalablement. Enfin, nous utilisons la puissance d’un solveur de programmation mixte en nombres entiers pour intensifier la recherche sur le problème restreint par le statut fixé ouvert/fermé de certains arcs. Les tests montrent que cette approche est capable de trouver de bonnes solutions aux problèmes de grandes tailles dans des temps raisonnables. Cette recherche est publiée dans la revue scientifique Journal of heuristics. La deuxième étude introduit la gestion des ressources au niveau de la conception de réseaux de services en prenant en compte explicitement le nombre fini de véhicules utilisés à chaque terminal pour le transport de produits. Une approche de solution faisant appel au slope-scaling, la génération de colonnes et des heuristiques basées sur une formulation en cycles est ainsi proposée. La génération de colonnes résout une relaxation linéaire du problème de conception de réseaux, générant des colonnes qui sont ensuite utilisées par le slope-scaling. Le slope-scaling résout une approximation linéaire du problème de conception de réseaux, d’où l’utilisation d’une heuristique pour convertir les solutions obtenues par le slope-scaling en solutions réalisables pour le problème original. L’algorithme se termine avec une procédure de perturbation qui améliore les solutions réalisables. Les tests montrent que l’algorithme proposé est capable de trouver de bonnes solutions au problème de conception de réseaux de services avec un nombre fixe des ressources à chaque terminal. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue scientifique Transportation Science. La troisième étude élargie nos considérations sur la gestion des ressources en prenant en compte l’achat ou la location de nouvelles ressources de même que le repositionnement de ressources existantes. Nous faisons les hypothèses suivantes: une unité de ressource est nécessaire pour faire fonctionner un service, chaque ressource doit retourner à son terminal d’origine, il existe un nombre fixe de ressources à chaque terminal, et la longueur du circuit des ressources est limitée. Nous considérons les alternatives suivantes dans la gestion des ressources: 1) repositionnement de ressources entre les terminaux pour tenir compte des changements de la demande, 2) achat et/ou location de nouvelles ressources et leur distribution à différents terminaux, 3) externalisation de certains services. Nous présentons une formulation intégrée combinant les décisions reliées à la gestion des ressources avec les décisions reliées à la conception des réseaux de services. Nous présentons également une méthode de résolution matheuristique combinant le slope-scaling et la génération de colonnes. Nous discutons des performances de cette méthode de résolution, et nous faisons une analyse de l’impact de différentes décisions de gestion des ressources dans le contexte de la conception de réseaux de services. Cette étude sera présentée au XII International Symposium On Locational Decision, en conjonction avec XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. En résumé, trois études différentes sont considérées dans la présente thèse. La première porte sur une nouvelle méthode de solution pour le "capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints". Nous y proposons une matheuristique comprenant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et l’optimisation exacte. Dans la deuxième étude, nous présentons un nouveau modèle de conception de réseaux de services prenant en compte un nombre fini de ressources à chaque terminal. Nous y proposons une matheuristique avancée basée sur la formulation en cycles comprenant le slope-scaling, la génération de colonnes, des heuristiques et l’optimisation exacte. Enfin, nous étudions l’allocation des ressources dans la conception de réseaux de services en introduisant des formulations qui modèlent le repositionnement, l’acquisition et la location de ressources, et l’externalisation de certains services. À cet égard, un cadre de solution slope-scaling développé à partir d’une formulation en cycles est proposé. Ce dernier comporte la génération de colonnes et une heuristique. Les méthodes proposées dans ces trois études ont montré leur capacité à trouver de bonnes solutions.

Domain/Multi-Domain Protection and Provisioning in Optical Networks

L’évolution récente des commutateurs de sélection de longueurs d’onde (WSS -Wavelength Selective Switch) favorise le développement du multiplexeur optique d’insertionextraction reconfigurable (ROADM - Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers) à plusieurs degrés sans orientation ni coloration, considéré comme un équipement fort prometteur pour les réseaux maillés du futur relativement au multiplexage en longueur d’onde (WDM -Wavelength Division Multiplexing ). Cependant, leur propriété de commutation asymétrique complique la question de l’acheminement et de l’attribution des longueur d’ondes (RWA - Routing andWavelength Assignment). Or la plupart des algorithmes de RWA existants ne tiennent pas compte de cette propriété d’asymétrie. L’interruption des services causée par des défauts d’équipements sur les chemins optiques (résultat provenant de la résolution du problème RWA) a pour conséquence la perte d’une grande quantité de données. Les recherches deviennent ainsi incontournables afin d’assurer la survie fonctionnelle des réseaux optiques, à savoir, le maintien des services, en particulier en cas de pannes d’équipement. La plupart des publications antérieures portaient particulièrement sur l’utilisation d’un système de protection permettant de garantir le reroutage du trafic en cas d’un défaut d’un lien. Cependant, la conception de la protection contre le défaut d’un lien ne s’avère pas toujours suffisante en termes de survie des réseaux WDM à partir de nombreux cas des autres types de pannes devenant courant de nos jours, tels que les bris d’équipements, les pannes de deux ou trois liens, etc. En outre, il y a des défis considérables pour protéger les grands réseaux optiques multidomaines composés de réseaux associés à un domaine simple, interconnectés par des liens interdomaines, où les détails topologiques internes d’un domaine ne sont généralement pas partagés à l’extérieur. La présente thèse a pour objectif de proposer des modèles d’optimisation de grande taille et des solutions aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ces modèles-ci permettent de générer des solutions optimales ou quasi-optimales avec des écarts d’optimalité mathématiquement prouvée. Pour ce faire, nous avons recours à la technique de génération de colonnes afin de résoudre les problèmes inhérents à la programmation linéaire de grande envergure. Concernant la question de l’approvisionnement dans les réseaux optiques, nous proposons un nouveau modèle de programmation linéaire en nombres entiers (ILP - Integer Linear Programming) au problème RWA afin de maximiser le nombre de requêtes acceptées (GoS - Grade of Service). Le modèle résultant constitue celui de l’optimisation d’un ILP de grande taille, ce qui permet d’obtenir la solution exacte des instances RWA assez grandes, en supposant que tous les noeuds soient asymétriques et accompagnés d’une matrice de connectivité de commutation donnée. Ensuite, nous modifions le modèle et proposons une solution au problème RWA afin de trouver la meilleure matrice de commutation pour un nombre donné de ports et de connexions de commutation, tout en satisfaisant/maximisant la qualité d’écoulement du trafic GoS. Relativement à la protection des réseaux d’un domaine simple, nous proposons des solutions favorisant la protection contre les pannes multiples. En effet, nous développons la protection d’un réseau d’un domaine simple contre des pannes multiples, en utilisant les p-cycles de protection avec un chemin indépendant des pannes (FIPP - Failure Independent Path Protecting) et de la protection avec un chemin dépendant des pannes (FDPP - Failure Dependent Path-Protecting). Nous proposons ensuite une nouvelle formulation en termes de modèles de flots pour les p-cycles FDPP soumis à des pannes multiples. Le nouveau modèle soulève un problème de taille, qui a un nombre exponentiel de contraintes en raison de certaines contraintes d’élimination de sous-tour. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ce problème, on examine : (i) une décomposition hiérarchique du problème auxiliaire dans le modèle de décomposition, (ii) des heuristiques pour gérer efficacement le grand nombre de contraintes. À propos de la protection dans les réseaux multidomaines, nous proposons des systèmes de protection contre les pannes d’un lien. Tout d’abord, un modèle d’optimisation est proposé pour un système de protection centralisée, en supposant que la gestion du réseau soit au courant de tous les détails des topologies physiques des domaines. Nous proposons ensuite un modèle distribué de l’optimisation de la protection dans les réseaux optiques multidomaines, une formulation beaucoup plus réaliste car elle est basée sur l’hypothèse d’une gestion de réseau distribué. Ensuite, nous ajoutons une bande pasiv sante partagée afin de réduire le coût de la protection. Plus précisément, la bande passante de chaque lien intra-domaine est partagée entre les p-cycles FIPP et les p-cycles dans une première étude, puis entre les chemins pour lien/chemin de protection dans une deuxième étude. Enfin, nous recommandons des stratégies parallèles aux solutions de grands réseaux optiques multidomaines. Les résultats de l’étude permettent d’élaborer une conception efficace d’un système de protection pour un très large réseau multidomaine (45 domaines), le plus large examiné dans la littérature, avec un système à la fois centralisé et distribué.

Conception et évaluation d’un nouveau système de transfection ciblée, basé sur l’utilisation du système E/Kcoil

Actuellement le polyéthylènimine (PEI) est l’agent de transfection transitoire le plus utilisé par l’industrie pharmaceutique pour la production de protéines recombinantes à grande échelle par les cellules de mammifères. Il permet la condensation de l’ADN plasmidique (ADNp) en formant spontanément des nanoparticules positives appelées polyplexes, lui procurant la possibilité de s’attacher sur la membrane cellulaire afin d’être internalisé, ainsi qu’une protection face aux nucléases intracellulaires. Cependant, alors que les polyplexes s’attachent sur la quasi-totalité des cellules seulement 5 à 10 % de l’ADNp internalisé atteint leur noyau, ce qui indique que la majorité des polyplexes ne participent pas à l’expression du transgène. Ceci contraste avec l’efficacité des vecteurs viraux où une seule particule virale par cellule peut être suffisante. Les virus ont évolués afin d’exploiter les voies d’internalisation et de routage cellulaire pour exprimer efficacement leur matériel génétique. Nous avons donc supposé que l’exploitation des voies d’internalisation et de routage cellulaire d’un récepteur pourrait, de façon similaire à plusieurs virus, permettre d’optimiser le processus de transfection en réduisant les quantités d’ADNp et d’agent de transfection nécessaires. Une alternative au PEI pour transfecter les cellules de mammifèreest l’utilisation de protéines possédant un domaine de liaison à l’ADNp. Toutefois, leur utilisation reste marginale à cause de la grande quantité requise pour atteindre l’expression du transgène. Dans cette étude, nous avons utilisé le système E/Kcoil afin de cibler un récepteur membranaire dans le but de délivrer l’ADNp dans des cellules de mammifères. Le Ecoil et le Kcoil sont des heptapeptides répétés qui peuvent interagir ensemble avec une grande affinité et spécificité afin de former des structures coiled-coil. Nous avons fusionné le Ecoil avec des protéines capables d’interagir avec l’ADNp et le Kcoil avec un récepteur membranaire que nous avons surexprimé dans les cellules HEK293 de manière stable. Nous avons découvert que la réduction de la sulfatation de la surface cellulaire permettait l’attachement ciblé sur les cellules par l’intermédiaire du système E/Kcoil. Nous démontrons dans cette étude comment utiliser le système E/Kcoil et une protéine interagissant avec l’ADNp pour délivrer un transgène de manière ciblée. Cette nouvelle méthode de transfection permet de réduire les quantités de protéines nécessaires pour l’expression du transgène.

‘Studies on some topics in product graphs’

For routing problems in interconnection networks it is important to find the shortest containers between any two vertices, since the w-wide diameter gives the maximum communication delay when there are up to w−1 faulty nodes in a network modeled by a graph. The concept of ‘wide diameter’ was introduced by Hsu [41] to unify the concepts of diameter and The concept of ‘domination’ has attracted interest due to its wide applications in many real world situations [38]. A connected dominating set serves as a virtual backbone of a network and it is a set of vertices that helps in routing. In this thesis, we make an earnest attempt to study some of these notions in graph products. This include, the diameter variability, the diameter vulnerability, the component factors and the domination criticality.connectivity

Mobility Metric based LEACH-Mobile Protocol

Cluster based protocols like LEACH were found best suited for routing in wireless sensor networks. In mobility centric environments some improvements were suggested in the basic scheme. LEACH-Mobile is one such protocol. The basic LEACH protocol is improved in the mobile scenario by ensuring whether a sensor node is able to communicate with its cluster head. Since all the nodes, including cluster head is moving it will be better to elect a node as cluster head which is having less mobility related to its neighbours. In this paper, LEACH-Mobile protocol has been enhanced based on a mobility metric “remoteness” for cluster head election. This ensures high success rate in data transfer between the cluster head and the collector nodes even though nodes are moving. We have simulated and compared our LEACH-Mobile-Enhanced protocol with LEACHMobile. Results show that inclusion of neighbouring node information improves the routing protocol.

Performance improvement of multiple Connections in AODV with the concern of Node bandwidth

Mobile Ad-hoc Networks (MANETS) consists of a collection of mobile nodes without having a central coordination. In MANET, node mobility and dynamic topology play an important role in the performance. MANET provide a solution for network connection at anywhere and at any time. The major features of MANET are quick set up, self organization and self maintenance. Routing is a major challenge in MANET due to it’s dynamic topology and high mobility. Several routing algorithms have been developed for routing. This paper studies the AODV protocol and how AODV is performed under multiple connections in the network. Several issues have been identified. The bandwidth is recognized as the prominent factor reducing the performance of the network. This paper gives an improvement of normal AODV for simultaneous multiple connections under the consideration of bandwidth of node.

Channel Adaptive MAC Protocol with Traffic-Aware Distributed Power Management in Wireless Sensor Networks-Some Performance Issues

In Wireless Sensor Networks (WSN), neglecting the effects of varying channel quality can lead to an unnecessary wastage of precious battery resources and in turn can result in the rapid depletion of sensor energy and the partitioning of the network. Fairness is a critical issue when accessing a shared wireless channel and fair scheduling must be employed to provide the proper flow of information in a WSN. In this paper, we develop a channel adaptive MAC protocol with a traffic-aware dynamic power management algorithm for efficient packet scheduling and queuing in a sensor network, with time varying characteristics of the wireless channel also taken into consideration. The proposed protocol calculates a combined weight value based on the channel state and link quality. Then transmission is allowed only for those nodes with weights greater than a minimum quality threshold and nodes attempting to access the wireless medium with a low weight will be allowed to transmit only when their weight becomes high. This results in many poor quality nodes being deprived of transmission for a considerable amount of time. To avoid the buffer overflow and to achieve fairness for the poor quality nodes, we design a Load prediction algorithm. We also design a traffic aware dynamic power management scheme to minimize the energy consumption by continuously turning off the radio interface of all the unnecessary nodes that are not included in the routing path. By Simulation results, we show that our proposed protocol achieves a higher throughput and fairness besides reducing the delay

Mobility Metric based LEACH-Mobile Protocol

Cluster based protocols like LEACH were found best suited for routing in wireless sensor networks. In mobility centric environments some improvements were suggested in the basic scheme. LEACH-Mobile is one such protocol. The basic LEACH protocol is improved in the mobile scenario by ensuring whether a sensor node is able to communicate with its cluster head. Since all the nodes, including cluster head is moving it will be better to elect a node as cluster head which is having less mobility related to its neighbours. In this paper, LEACH-Mobile protocol has been enhanced based on a mobility metric “remoteness” for cluster head election. This ensures high success rate in data transfer between the cluster head and the collector nodes even though nodes are moving. We have simulated and compared our LEACH-Mobile-Enhanced protocol with LEACHMobile. Results show that inclusion of neighbouring node information improves the routing protocol.

Global Optimization Algorithms and their Application to Distributed Systems

In this report, we discuss the application of global optimization and Evolutionary Computation to distributed systems. We therefore selected and classified many publications, giving an insight into the wide variety of optimization problems which arise in distributed systems. Some interesting approaches from different areas will be discussed in greater detail with the use of illustrative examples.

Content aggregation on knowledge bases using graph clustering

Recently, research projects such as PADLR and SWAP have developed tools like Edutella or Bibster, which are targeted at establishing peer-to-peer knowledge management (P2PKM) systems. In such a system, it is necessary to obtain provide brief semantic descriptions of peers, so that routing algorithms or matchmaking processes can make decisions about which communities peers should belong to, or to which peers a given query should be forwarded. This paper proposes the use of graph clustering techniques on knowledge bases for that purpose. Using this clustering, we can show that our strategy requires up to 58% fewer queries than the baselines to yield full recall in a bibliographic P2PKM scenario.

Evolving Distributed Algorithms with Genetic Programming

Distributed systems are one of the most vital components of the economy. The most prominent example is probably the internet, a constituent element of our knowledge society. During the recent years, the number of novel network types has steadily increased. Amongst others, sensor networks, distributed systems composed of tiny computational devices with scarce resources, have emerged. The further development and heterogeneous connection of such systems imposes new requirements on the software development process. Mobile and wireless networks, for instance, have to organize themselves autonomously and must be able to react to changes in the environment and to failing nodes alike. Researching new approaches for the design of distributed algorithms may lead to methods with which these requirements can be met efficiently. In this thesis, one such method is developed, tested, and discussed in respect of its practical utility. Our new design approach for distributed algorithms is based on Genetic Programming, a member of the family of evolutionary algorithms. Evolutionary algorithms are metaheuristic optimization methods which copy principles from natural evolution. They use a population of solution candidates which they try to refine step by step in order to attain optimal values for predefined objective functions. The synthesis of an algorithm with our approach starts with an analysis step in which the wanted global behavior of the distributed system is specified. From this specification, objective functions are derived which steer a Genetic Programming process where the solution candidates are distributed programs. The objective functions rate how close these programs approximate the goal behavior in multiple randomized network simulations. The evolutionary process step by step selects the most promising solution candidates and modifies and combines them with mutation and crossover operators. This way, a description of the global behavior of a distributed system is translated automatically to programs which, if executed locally on the nodes of the system, exhibit this behavior. In our work, we test six different ways for representing distributed programs, comprising adaptations and extensions of well-known Genetic Programming methods (SGP, eSGP, and LGP), one bio-inspired approach (Fraglets), and two new program representations called Rule-based Genetic Programming (RBGP, eRBGP) designed by us. We breed programs in these representations for three well-known example problems in distributed systems: election algorithms, the distributed mutual exclusion at a critical section, and the distributed computation of the greatest common divisor of a set of numbers. Synthesizing distributed programs the evolutionary way does not necessarily lead to the envisaged results. In a detailed analysis, we discuss the problematic features which make this form of Genetic Programming particularly hard. The two Rule-based Genetic Programming approaches have been developed especially in order to mitigate these difficulties. In our experiments, at least one of them (eRBGP) turned out to be a very efficient approach and in most cases, was superior to the other representations.

Reinforcement Learning by Policy Search

One objective of artificial intelligence is to model the behavior of an intelligent agent interacting with its environment. The environment's transformations can be modeled as a Markov chain, whose state is partially observable to the agent and affected by its actions; such processes are known as partially observable Markov decision processes (POMDPs). While the environment's dynamics are assumed to obey certain rules, the agent does not know them and must learn. In this dissertation we focus on the agent's adaptation as captured by the reinforcement learning framework. This means learning a policy---a mapping of observations into actions---based on feedback from the environment. The learning can be viewed as browsing a set of policies while evaluating them by trial through interaction with the environment. The set of policies is constrained by the architecture of the agent's controller. POMDPs require a controller to have a memory. We investigate controllers with memory, including controllers with external memory, finite state controllers and distributed controllers for multi-agent systems. For these various controllers we work out the details of the algorithms which learn by ascending the gradient of expected cumulative reinforcement. Building on statistical learning theory and experiment design theory, a policy evaluation algorithm is developed for the case of experience re-use. We address the question of sufficient experience for uniform convergence of policy evaluation and obtain sample complexity bounds for various estimators. Finally, we demonstrate the performance of the proposed algorithms on several domains, the most complex of which is simulated adaptive packet routing in a telecommunication network.

On the use of QoS requirements as base of multicast charging

We propose a charging scheme for cost distribution along a multicast tree when cost is the responsibility of the receivers. This scheme focuses on QoS considerations and it does not depend on any specific type of service. The scheme has been designed to be used as a bridge between unicast and multicast services, solving the problem of charging multicast services by means of unicast charging and existing QoS routing mechanisms. We also include a numerical comparison and discussions of the case of non-numerical or relative QoS and on the application to some service examples in order to give a better understanding of the proposal

Evaluating the probability and the impact of a failure in GMPLS based networks

In this paper, we define a new scheme to develop and evaluate protection strategies for building reliable GMPLS networks. This is based on what we have called the network protection degree (NPD). The NPD consists of an a priori evaluation, the failure sensibility degree (FSD), which provides the failure probability, and an a posteriori evaluation, the failure impact degree (FID), which determines the impact on the network in case of failure, in terms of packet loss and recovery time. Having mathematical formulated these components, experimental results demonstrate the benefits of the utilization of the NPD, when used to enhance some current QoS routing algorithms in order to offer a certain degree of protection

Optimal Traffic Grooming in WDM using Lighttours

Recent developments in optical communications have allowed simpler optical devices to improve network resource utilization. As such, we propose adding a lambda-monitoring device to a wavelength-routing switch (WRS) allowing better performance when traffic is routed and groomed. This device may allow a WRS to aggregate traffic over optical routes without incurring in optical-electrical-optical conversion for the existing traffic. In other words, optical routes can be taken partially to route demands creating a sort of "lighttours". In this paper, we compare the number of OEO conversions needed to route a complete given traffic matrix using either lighttours or lightpaths