In this thesis, we introduce the Partitioning-Hub Location-Routing problem (PHLRP), which can be classied as a variant of the hub location problem. PHLRP consists of partitioning a network into sub-networks, locating at least one hub in each subnetwork and routing the traffic within the network such that all inter-subnetwork traffic is routed through the hubs and all intra-subnetwork traffic stays within the sub-networks all the way from the source to the destination. Obviously, besides the hub location component, PHLRP also involves a graph partitioning component and a routing component. PHLRP finds applications in the strategic planning or deployment of the Intermediate System-Intermediate System (ISIS) Internet Protocol networks and the Less-than-truck load freight distribution systems. First, we introduce three IP formulations for solving PHLRP. The hub location component and the graph partitioning components of PHLRP are modeled in the same way in all three formulations. More precisely, the hub location component is represented by the p-median variables and constraints; and the graph partitioning component is represented by the size-constrained graph partitioning variables and constraints. The formulations differ from each other in the way the peculiar routing requirements of PHLRP are modeled. We then carry out analytical and empirical comparisons of the three IP formulations. Our thorough analysis reveals that one of the formulations is provably the tightest of the three formulations. We also show analytically that the LP relaxations of the other two formulations do not dominate each other. On the other hand, our empirical comparison in a standard branch-and-cut framework that is provided by CPLEX shows that not the tightest but the most compact of the three formulations yield the best performance in terms of solution time. From this point on, based on the insight gained from detailed analysis of the formulations, we focus our attention on a common sub-problem of the three formulations: the so-called size-constrained graph partitioning problem. We carry out a detailed polyhedral analysis of this problem. The main benet from this polyhedral analysis is that the facets we identify for the size-constrained graph partitioning problem constitute strong valid inequalities for PHLRP. And finally, we wrap up our efforts for solving PHLRP. Namely, we present the results of our computational experiments, in which we employ some facets of the size-constrained graph partitioning polytope in a branch-and-cut algorithm for solving PHLRP. Our experiments show that our approach brings signicant improvements to the solution time of PHLRP when compared with the default branch-and-cut solver of XPress. / Dans cette thèse, nous introduisons le problème Partitionnement-Location des Hubs et Acheminement (PLHA), une variante du problème de location de hubs. Le problème PLHA partitionne un réseau afin d'obtenir des sous-réseaux, localise au moins un hub dans chaque sous-réseau et achemine le traffic dans le réseau de la maniére suivante : le traffic entre deux sous-réseaux distincts doit être éxpedié au travers des hubs tandis que le traffic entre deux noeuds d'un même sous-réseau ne doit pas sortir de celui-ci. PLHA possède des applications dans le planning stratégique, ou déploiement, d'un certain protocole de communication utilisé dans l'Internet, Intermediate System - Intermediate System, ainsi que dans la distribution des frets. Premièrement, nous préesentons trois formulations linéaires en variables entières pour résoudre PLHA. Le partitionnement du graphe et la localisation des hubs sont modélisées de la même maniére dans les trois formulations. Ces formulations diffèrent les unes des autres dans la maniére dont l'acheminement du traffic est traité. Deuxièmement, nous présentons des comparaisons analytiques et empiriques des trois formulations. Notre comparaison analytique démontre que l'une des formulations est plus forte que les autres. Néanmoins, la comparaison empirique des formulations, via le solveur CPLEX, montre que la formulation la plus compacte (mais pas la plus forte) obtient les meilleures performances en termes de temps de résolution du problème. Ensuite, nous nous concentrons sur un sous-problème, à savoir, le partitionnement des graphes sous contrainte de taille. Nous étudions le polytope des solutions réalisables de ce sous-problème. Les facettes de ce polytope constituent des inégalités valides fortes pour PLHA et peuvent être utilisées dans un algorithme de branch-and-cut pour résoudre PLHA. Finalement, nous présentons les résultats d'un algorithme de branch-and-cut que nous avons développé pour résoudre PLHA. Les résultats démontrent que la performance de notre méthode est meilleure que celle de l'algorithme branch-and-cut d'Xpress.

In this thesis, we introduce the Partitioning-Hub Location-Routing problem (PHLRP), which can be classified as a variant of the hub location problem.<p>PHLRP consists of partitioning a network into sub-networks, locating at least one hub in each subnetwork and routing the traffic within the network such that all inter-subnetwork traffic is routed through the hubs and all intra-subnetwork traffic stays within the sub-networks all the way from the source to the destination. Obviously, besides the hub location component, PHLRP also involves a graph partitioning component and a routing component. PHLRP finds applications in the strategic planning or deployment of the Intermediate System-Intermediate System (ISIS) Internet Protocol networks and the Less-than-truck load freight distribution systems.<p><p>First, we introduce three IP formulations for solving PHLRP. The hub location component and the graph partitioning components of PHLRP are<p>modeled in the same way in all three formulations. More precisely, the hub location component is represented by the p-median variables and constraints; and the graph partitioning component is represented by the size-constrained graph partitioning variables and constraints. The formulations differ from each other in the way the peculiar routing requirements of PHLRP are modeled.<p><p>We then carry out analytical and empirical comparisons of the three IP<p>formulations. Our thorough analysis reveals that one of the formulations is<p>provably the tightest of the three formulations. We also show analytically that the LP relaxations of the other two formulations do not dominate each other. On the other hand, our empirical comparison in a standard branch-and-cut framework that is provided by CPLEX shows that not the tightest but the most compact of the three formulations yield the best performance in terms of solution time. <p><p>From this point on, based on the insight gained from detailed analysis of the formulations, we focus our attention on a common sub-problem of the three formulations: the so-called size-constrained graph partitioning problem. We carry out a detailed polyhedral analysis of this problem. The main benefit from this polyhedral analysis is that the facets we identify for the size-constrained graph partitioning problem constitute strong valid inequalities for PHLRP.<p><p>And finally, we wrap up our efforts for solving PHLRP. Namely, we present<p>the results of our computational experiments, in which we employ some facets<p>of the size-constrained graph partitioning polytope in a branch-and-cut algorithm for solving PHLRP. Our experiments show that our approach brings<p>significant improvements to the solution time of PHLRP when compared with<p>the default branch-and-cut solver of XPress. <p><p>/<p><p>Dans cette thèse, nous introduisons le problème Partitionnement-Location des Hubs et Acheminement (PLHA), une variante du problème de location de hubs. Le problème PLHA partitionne un réseau afin d'obtenir des sous-réseaux, localise au moins un hub dans chaque sous-réseau et achemine le traffic dans le réseau de la maniére suivante :le traffic entre deux<p>sous-réseaux distincts doit être éxpedié au travers des hubs tandis que le traffic entre deux noeuds d'un même sous-réseau ne doit pas sortir de celui-ci. PLHA possède des applications dans le planning stratégique, ou déploiement, d'un certain protocole de communication utilisé<p>dans l'Internet, Intermediate System - Intermediate System, ainsi que dans la distribution des frets.<p><p>Premièrement, nous préesentons trois formulations linéaires en variables entières pour résoudre PLHA. Le partitionnement du graphe et la localisation des hubs sont modélisées de la même maniére dans les trois formulations. Ces formulations diffèrent les unes des autres dans la maniére dont l'acheminement du traffic est traité.<p><p>Deuxièmement, nous présentons des comparaisons analytiques et empiriques des trois formulations. Notre comparaison analytique démontre que l'une des formulations est plus forte que les autres. Néanmoins, la comparaison empirique des formulations, via le solveur CPLEX, montre que la formulation la plus compacte (mais pas la plus forte) obtient les meilleures performances en termes de temps de résolution du problème.<p><p>Ensuite, nous nous concentrons sur un sous-problème, à savoir, le partitionnement des graphes sous contrainte de taille. Nous étudions le polytope des solutions réalisables de ce sous-problème. Les facettes de ce polytope constituent des inégalités valides fortes pour<p>PLHA et peuvent être utilisées dans un algorithme de branch-and-cut pour résoudre PLHA.<p><p>Finalement, nous présentons les résultats d'un algorithme de branch-and-cut que nous avons développé pour résoudre PLHA. Les résultats démontrent que la performance de notre méthode est meilleure que celle de l'algorithme branch-and-cut d'Xpress.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les Réseaux Orientés Contenus (Information Centric Networking (ICN)) représentent un nouveau paradigme qui se développe de plus en plus dans le monde de l’Internet. Ils mettent en avant de nouvelles approches centrées sur le contenu pour concevoir une nouvelle architecture pour le réseau Internet du futur dont l’usage bascule aujourd’hui d’une communication orientée machines (hosts) vers une distribution et une récupération de contenus à large échelle.Dans ce cadre, plusieurs architectures de type ICN ont été proposées par la communauté scientifique dans le cadre de plusieurs projets internationaux : DONA, PURSUIT, SAIL, COMET, CONVERGENCE, Named Data Networking (NDN), etc.Nos travaux de thèse se sont focalisés sur la problématique du routage dans les réseaux de ce type, au travers d’une architecture de type NDN qui représente aujourd’hui une des architectures ICN les plus évoluées.En particulier, nous nous sommes intéressés à concevoir et à mettre en œuvre des solutions de routage qui intègrent les métriques de qualité de service (QdS) dans les architectures NDN au regard de usages courants dans le réseau Internet. Celui-ci est en effet caractérisé par une hétérogénéité des liaisons et des conditions de trafic hautement dynamiques.Dans ce type d’architectures, la diffusion des paquets de données est organisée en deux plans : le plande routage et le plan d’acheminement. Ce dernier est responsable de l’acheminement des paquets sur l’ensemble des chemins disponibles au moyen d’une stratégie identifiée en amont. Le plan du routage est quant à lui utilisé uniquement pour soutenir le plan d’acheminement. De fait, les solutions que nous proposons consistent en de nouvelles stratégies d’acheminement avec QdS que nous qualifions d’adaptatives. Ces stratégies sont capables de transmettre les paquets sur de multiples chemins tout en considérant les paramètres de QdS liés à l’état du réseau et collectés en temps réel.La première approche proposée est conçue sur la base d’une méthode d’apprentissage inductif,du type Q-learning en ligne, et est utilisée pour estimer les informations collectées sur l’état dynamique du réseau.La deuxième contribution consiste dans une stratégie d’acheminement adaptatif conçue pour les architectures NDN et prenant en compte les métriques liées à la QdS. Elle est basée sur les similarités entre le processus d’acheminement des paquets dans les architectures NDN et le comportement des fourmis lors de la recherche du plus court chemin entre leur nid et les sources de nourriture. Les techniques utilisées pour concevoir cette stratégie sont inspirées des approches d’optimisation utilisées dans les algorithmes de type « colonies de fourmis ».Enfin, dans la dernière partie de la thèse, nous généralisons l’approche décrite ci-dessus pour l’étendre à la prise en compte simultanée de plusieurs paramètres de QdS. Sur la base de ces mêmes principes, cette approche a ensuite été étendue à la résolution des problèmes liés à la congestion.Les résultats obtenus montrent l’efficacité des solutions proposées dans une architecture NDN et permettent ainsi de considérer les paramètres de QdS dans les mécanismes d’acheminement des paquets ouvrant la voie à diverses applications orientées contenus sur ce type d’architecture / The Information Centric Networking (ICN) represents a new paradigm that is increasingly developed within the Internet world. It brings forward new content-centric based approaches, in order to design a new architecture for the future Internet, whose usage today shifts from a machine oriented communication (hosts) to a large-scale content distribution and retrieval.In this context, several ICN architectures have been proposed by the scientific community, within several international projects: DONA, PURSUIT, SAIL, COMET, CONVERGENCE, Named Data Networking (NDN), etc.Our thesis work has focused on the problems of routing in such networks, through a NDN architecture, which represents one of the most advanced ICN architectures nowadays.In particular, we were interested in designing and implementing routing solutions that integrate quality-of-service metrics (QoS) in the NDN architecture in terms of current Internet usage. This latter is indeed characterized by a heterogeneity of connections and highly dynamic traffic conditions.In this type of architecture, data packets broadcast is organized in two levels: the routing planand the forwarding plane. The latter is responsible for routing packets on all available paths through an identified upstream strategy. The routing plan is meanwhile used only to support the forwarding plane. In fact, our solutions consist of new QoS routing strategies which we describe as adaptive. These strategies can transmit packets over multiple paths while taking into account the QoS parameters related to the state of the network and collected in real time.The first proposed approach is designed on the basis of a on-line Q-learn type inductive learning method, and is used to estimate the information collected on the dynamic state of the network.The second contribution is an adaptive routing strategy designed for NDN architectures which considers the metrics related to QoS. It is based on the similarities between the packet forwarding process in the NDN architecture and the behavior of ants when finding the shortest path between their nest and food sources. The techniques used to design this strategy are based on optimization approaches used "ant colonies" algorithms.Finally, in the last part of the thesis, we generalize the approach described above to extend it to the simultaneous consideration of several QoS parameters. Based on these principles, this approach was later extended to solving problems related to congestion.The results show the effectiveness of the proposed solutions in an NDN architecture and thus allow to consider QoS parameters in packet delivery mechanisms paving the way for various content-oriented applications on this architecture