This dissertation presents measures of efficiency and locality for Internet addressing schemes. Historically speaking, many issues, faced by the Internet, have been solved just in time, to make the Internet just work~\cite{justWork}. Consensus, however, has been reached that today's Internet routing and addressing system is facing serious scaling problems: multi-homing which causes finer granularity of routing policies and finer control to realize various traffic engineering requirements, an increased demand for provider-independent prefix allocations which injects unaggregatable prefixes into the Default Free Zone (DFZ) routing table, and ever-increasing Internet user population and mobile edge devices. As a result, the DFZ routing table is again growing at an exponential rate. Hierarchical, topology-based addressing has long been considered crucial to routing and forwarding scalability. Recently, however, a number of research efforts are considering alternatives to this traditional approach. With the goal of informing such research, we investigated the efficiency of address assignment in the existing (IPv4) Internet. In particular, we ask the question: ``how can we measure the locality of an address scheme given an input AS-level graph?'' To do so, we first define a notion of efficiency or locality based on the average number of bit-hops required to advertize all prefixes in the Internet. In order to quantify how far from ``optimal" the current Internet is, we assign prefixes to ASes ``from scratch" in a manner that preserves observed semantics, using three increasingly strict definitions of equivalence. Next we propose another metric that in some sense quantifies the ``efficiency" of the labeling and is independent of forwarding/routing mechanisms. We validate the effectiveness of the metric by applying it to a series of address schemes with increasing randomness given an input AS-level graph. After that we apply the metric to the current Internet address scheme across years and compare the results with those of compact routing schemes.

Dans cette thèse, nous étudions les décompositions arborescentes qui satisfont certaines contraintes supplémentaires et nous proposons des algorithmes pour les calculer dans certaines classes de graphes. Finalement, nous résolvons des problèmes liés au routage en utilisant ces décompositions ainsi que des propriétés structurelles des graphes. Cette thèse est divisée en deux parties. Dans la première partie, nous étudions les décompositions arborescentes satisfaisant des propriétés spécifiques. Dans le Chapitre 2, nous étudions les décompositions de taille minimum, c’est-À-Dire avec un nombre minimum de sacs. Etant donné une entier k 4 fixé, nous prouvons que le problème de calculer une décomposition arborescente de largeur au plus k et de taille minimum est NP-Complet dans les graphes de largeur arborescente au plus 4. Nous décrivons ensuite des algorithmes qui calculent des décompositions de taille minimum dans certaines classes de graphes de largeur arborescente au plus 3. Ces résultats ont été présentés au workshop international ICGT 2014. Dans le Chapitre 3, nous étudions la cordalité des graphes et nous introduisons la notion de k-Good décomposition arborescente. Nous étudions tout d’abord les jeux de Gendarmes et Voleur dans les graphes sans long cycle induit. Notre résultat principal est un algorithme polynomial qui, étant donné un graphe G, soit trouve un cycle induit de longueur au moins k+1, ou calcule une k-Good décomposition de G. Ces résultats ont été publiés à la conférence internationale ICALP’12 et dans la revue internationale Algorithmica. Dans la seconde partie de la thèse, nous nous concentrons sur des problèmes de routage. / A tree decomposition of a graph is a way to represent it as a tree by preserving some connectivity properties of the initial graph. Tree decompositions have been widely studied for their algorithmic applications, in particular using dynamic programming approach. In this thesis, we study tree decompositions satisfying various constraints and design algorithms to compute them in some graph classes. We then use tree decompositions or specific graph properties to solve several problems related to routing. The thesis is divided into two parts. In the first part, we study tree decompositions satisfying some properties. In Chapter 2, we investigate minimum size tree decompositions, i.e., with minimum number of bags. Given a fixed k 4, we prove it is NP-Hard to compute a minimum size decomposition with width at most k in the class of graphs with treewidth at least 4. We design polynomial time algorithms to compute minimum size tree decompositions in some classes of graphs with treewidth at most 3 (including trees). Part of these results will be presented in ICGT 2014. In Chapter 3, we study the chordality (longest induced cycle) of graphs and introduce the notion of good tree decomposition (where each bag must satisfy some particular structure). Precisely, we study the Cops and Robber games in graphs with no long induced cycles. Our main result is the design of a polynomial-Time algorithm that either returns an induced cycle of length at least k+1 of a graph G or compute a k-Good tree decomposition of G. These results have been published in ICALP 2012 and Algorithmica. In the second part of the thesis, we focus on routing problems.

Répondre à des requêtes de routage requiert que les entités du réseau, nommées routeurs, aient une connaissance à jour sur la topologie de celui-ci, cette connaissance est appelée table de routage. Le réseau est modélisé par un graphe dans lequel les noeuds représentent les routeurs, et les arêtes les liens de communication entre ceux ci.Cette thèse s’intéresse au calcul des tables de routage dans un modèle distribué.Dans ce modèle, les calculs sont effectués par un ensemble de processus placés sur les noeuds. Chaque processus a pour objectif de calculer la table de routage du noeud sur lequel il se trouve. Pour effectuer ce calcul les processus doivent communiquer entre eux. Dans des réseaux de grande taille, et dans le cadre d’un calcul distribué, le maintien à jour des tables de routage peut être coûteux en terme de communication. L’un des thèmes principaux abordés et celui de la réduction des coûts de communication lors de ce calcul. L’une des solutions apportées consisteà réduire la taille des tables de routage, permettant ainsi de réduire les coûts de communication. Cette stratégie classique dans le modèle centralisé est connue sous le nom de routage compact. Cette thèse présente notamment un algorithme de routage compact distribué permettant de réduire significativement les coûts de communication dans les réseaux tels que le réseau internet, i.e. le réseau des systèmes autonomes ainsi que dans des réseaux sans-échelle. Ce document contient également une étude expérimentale de différents algorithmes de routage compact distribués.Enfin, les problèmes liés à la dynamique du réseau sont également abordés. Plusprécisément le reste de l’étude porte sur un algorithme auto-stabilisant de calcul d’arbre de plus court chemin, ainsi que sur l’impact de la suppression de noeuds ou d’arêtes sur les tables de routage stockées aux routeurs. / In order to respond to routing queries, the entities of the network, nammedrouters, require to have a knowledge concerning the topology of the network, thisknowledge is called routing table. The network is modeled by a graph in whichnodes represent routers and edges represent communication links between nodes.This thesis focuses on routing tables computation in a distributed model. In thismodel, computations are done by a set of process placed on nodes. Every processhas for objective to compute the routing table of the node on which he is placed.To perform this computation, processes have to communicate with each other. Inlarge scale network, in the case of a distributed computation, maintaining routingtables up to date can be costly in terms of communication. This thesis focuses mainlyon the problem of communication cost reduction. One of the solution we proposeis to reduce routing tables size which allow to reduce communication cost. In thecentralised model this strategy is well known under the name of compact routing.This thesis presents in particular a distributed compact routing algorithm that allowsto reduce significantly the communication costs in networks like Internet, i.e. theautonomous systems network and others networks that present scale-free properties.This thesis also contains an experimental study of several distributed compact routingalgorithms. Finally, some problems linked to network dynamicity are addressed.More precisely, the problem of network deconnexion during a shortest path treecomputation with auto-stabilisation guaranties, together with a study of the impactof several edges or nodes deletion on the state of the routing tables.

Les graphes sont des objets couramment utilisés pour modéliser de nombreuses situations réelles comme des réseaux routiers, informatiques ou encore électriques. Ils permettent de résoudre des problèmes sur ces réseaux comme le routage (aller d'un sommet à un autre en suivant les arêtes du graphe) ou encore leur exploration (obtenir une carte du graphe étudié). Les réseaux étudiés, et donc les graphes qui les modélisent, peuvent être grands, c'est-à-dire avoir un très grand nombre de sommets. Dans ce cas, comme dans le cas de l'étude de grandes données en général, nous pouvons utiliser le paradigme << Diviser pour mieux régner >> pour répondre aux questions posées. En effet, en travaillant sur des petites parties du graphe et en fusionnant les résultats obtenus sur ces petites parties, on peut obtenir le résultat sur le graphe global. Dans ce document, nous présenterons une manière de décomposer les graphes en utilisant des plus courts chemins comme séparateurs. Cette décomposition permet d'obtenir, par exemple, un routage efficace, un étiquetage compacte pour pouvoir estimer les distances entre les sommets d'un graphe ou encore une navigation efficace dans les graphes<< petit monde >>. Cette méthode va nous permettre de définir de nouvelles classes de graphes. / Graphs are widely used to MODELISER a lot of real situations like road networks, computers networks or electricity ones. Using them, we can solve problems on these networks like routing (go from a vertex ti another one) or explore them (to have a map of studied graph).Studied networks, and so graphs which MODELISER them, can be large (i.e. have a lot of vertices). In this case, we can use the paradigm "Divide and conquer" to answer the questions. Indeed, working on small parts of graphs and merging the results on these small parts, we can obtain the result on the whole graph.In this document, we present a way to separate graphs using shortest paths like separators. This decomposition let to obtain a compact routing, a compact labeling to estimate the distance between vertices of the graph. This method let us to define new class of graphs.

Savoir comment transmettre une information est fondamental dans un réseau. Il est essentiel que chaque entité du réseau soit capable de décider localement, avec sa vue du réseau, du chemin par lequel l'information doit passer. Ainsi, il est souvent utile d'étudier la topologie du réseau, modélisée par un graphe, pour répondre à ces exigences. Nous nous intéressons dans un premier temps, à la décomposition arborescente des graphes planaires. En effet, comme dans beaucoup de problèmes de graphes, l'étude de la topologie des graphes nous conduit à procéder à une décomposition du graphe afin d'exploiter les propriétés structurelles qui en découlent. En suite, nous nous sommes aussi intéressés à la structure des graphes qui excluent un mineur H, en particulier le graphe K_{2,r}. Ces travaux nous ont permis d'améliorer les bornes actuelles connues sur la largeur arborescente de ces graphes. Dans la dernière partie, nous abordons le problème du routage compact. Nous nous sommes intéressés aux schémas de routage de plus courts chemins utilisant des adresses, des tables de routage de tailles optimales de O(log n) bits, où n est le nombre de sommets du graphe. Nous proposons un tel schéma de routage pour une famille de graphes valués contenant les arbres et les graphes planaire-extérieurs. / In a network, it is crucial to know how to construct an efficent routing scheme. It is fundamental for each entity with its local knowledge of the network, to be able to decide on which link to forward messages. Thus, it is important to sutdy the underlying network topology in order to design routing schemes. In the first part of this thesis, we construct a new tree-decomposition for planar graphs. In fact, as in many graph problems, the study of the graph structure leads to do a tree-decomposition for exploiting structural propertys of the graphs. In second part, we studied the structure of H-minor free graphs, in particular whenever H = K_{2,r}. Our results improve upon previous known bounds about the tree-width of K_{2,r}-minor free graphs. At last, we treat the problème of compact routing scheme. More precisely, we are interested in shortest-path routing schemes that use O(\log n) bits for addresses, headers and routing tables, where n is the number of vertices in the graph. We propose such a routing scheme for a large family of weighted graphs including outerplanar graphs.