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Routage dans les réseaux augmentés. Pierre Fraigniaud CNRS LRI, Univ. Paris Sud (Orsay). Objectifs. Expérience de Milgram (1967) Modélisation (Kleinberg, 2000) Petits Mondes Navigation Limites du modèle Autres modèles Applications. Expérience de Milgram. - PowerPoint PPT Presentation
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22 juin 2005 P. Fraigniaud - GT Sphère - GDR I3 1
Routage dans les réseaux augmentés
Pierre FraigniaudCNRS
LRI, Univ. Paris Sud (Orsay)
22 juin 2005 P. Fraigniaud - GT Sphère - GDR I3 2
Objectifs
• Expérience de Milgram (1967)• Modélisation (Kleinberg, 2000)• Petits Mondes Navigation• Limites du modèle• Autres modèles• Applications
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Expérience de Milgram
Personnes sources s1,s2,...,sk
Personne cible tBut = acheminer une lettre de si à t :
La personne x détenant actuellement la lettre la retransmet à une personne y que x connaît personnellement et dont il espère qu’elle soit plus proche de t.
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Résultats de l’expérience
1. Beaucoup de lettres sont arrivées à destination
2. Parmi les lettres arrivées à destination, la médiane du nombre d'intermédiaires fût environ 5
Six degrés de séparation entre individus
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Le phénomène semble reproductible
• Dodds, Muhamad, Watts (2003)• Utilisation de la messagerie
électronique• Parmi les chaînes réussies, il se
vérifie que la médiane est d’environ 5
• Attention toutefois : beaucoup de chaînes ne réussissent pas !
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Les graphes augmentés
• Un graphe G modélise un ensemble de connaissances communes à tous :
• La Norvège est “plus proche” de la France que l’Uzbékistan
• Un biologiste est “plus proche” d’un médecin que d’un trapéziste
• G est augmenté avec des liens longs choisis aléatoirement, suivant une loi D, pour modéliser les hasards de la vies
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Exemple
Noeud x
Noeud y
Le noeud y est le contact distant de x
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Modèle de Kleinberg
• Le graphe G est une grille à d dimensions et de n noeuds
• Chaque noeud x choisit y comme contact distant avec probabilité prob(xy) harmonique, c-à-d proportionnel à 1/dist(x,y)
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Routage glouton
• Parmi ses 2d+1 noeuds voisins, chaque noeud choisit celui qui est le plus proche de la destination, et lui transmet le message
• Attention : distance de «Manhattan»
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Glouton converge
Noeud courant Noeud suivant Cible
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Performances du routage glouton
• Si = d alors le routage glouton s’effectue en O(log2n) nombre de pas en moyenne.
• Si ≠ d alors le routage glouton s’effectue en Ω(n) nombre de pas en moyenne, >0.
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Preuve
• Coefficient normalisateur (d = 1): ∑1≤i≤n/2(1/i) ≈ log n
• Prob(xy) ≈ 1/(dist(x,y)d log n)
mx
tB = y / dist(y,t) ≤ m/2
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Prob(xB) = ∑y Prob(xy)
≥ |B| Prob(xz) ≈ md/(md log n) = 1/log n
mx
tB = y / dist(y,t) ≤ m/2 z
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Quelques critiques
1. Le routage glouton est-il représentatif de l’expérience de Milgram ? Peut-on faire mieux ?
2. Pour = d, les performances du routage sont indépendantes de d
3. Les performances du routage ne sont « bonnes » que si = d
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Quelques critiques
1. Le routage glouton est-il représentatif de l’expérience de Milgram ? Peut-on faire mieux ?
2. Pour = d, les performances du routage sont indépendantes de d
3. Les performances du routage ne sont « bonnes » que si = d
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Peut-on faire mieux ?• L’analyse est exacte : (log2n) (Barrière, Fraigniaud, Kranakis, Krizanc)
• Diamètre (log n) (Martel, Nguyen) • Avec log n liens longs par noeud :
– Glouton : O(log n) (Kleinberg) – NoN : O(log n / loglog n) (Manku, Naor, Wieder)
• Il est possible de construire de façon distribuée un chemin de longueur
O((log n)(loglog n)2) (Lebhar, Schabanel)
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Autres distributions
• Quelque soit la distribution (presque !) le routage glouton s'effectue en Ω(log2n/loglog n) étapes en moyenne.
(Aspnes, Diamadi, Shah)
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Quelques critiques
1. Le routage glouton est-il représentatif de l’expérience de Milgram ? Peut-on faire mieux ?
2. Pour = d, les performances du routage sont indépendantes de d
3. Les performances du routage ne sont « bonnes » que si = d
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Critères de sélection(Killworth & Bernard)
• Expérience à la Milgram : – Recherche avec ≥ 2 critères marche
bien– Recherche avec 1 critère marche mal
• Peut-on interpréter les dimensions de la grille comme autant de critères ?
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Routage indirect
• Chaque noeud x possède une liste Lx de liens longs
• Pour router : – le noeud courant x sélectionne y Lx tel que
le lien long de y conduit le plus près de la cible t
– Parmi ses 2d+1 noeuds voisins, x choisit celui qui est le plus proche de y, et lui transmet le message
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Performances du routage indirect
• Si, pour tout noeud x, Lx est la liste des liens longs des log n noeuds les plus proches de x (dans la grille), alors le routage indirect s’effectue en O(log1+1/d
n) étapes en moyenne. (Fraigniaud, Gavoille,
Paul)
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Quelques critiques
1. Le routage glouton est-il représentatif de l’expérience de Milgram ? Peut-on faire mieux ?
2. Pour = d, les performances du routage sont indépendantes de d
3. Les performances du routage ne sont « bonnes » que si = d
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Vers un modèle plus général...
• Contexte : réseaux sociaux modélisés par un graphe augmenté (G,D)
• Questions : • Comment choisir le graphe G ? • Comment choisir la distribution D ?• Que devrait-on observer à propos du
routage glouton dans (G,D) ?
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Routage glouton dans (G,D)
• Parmi ses degG(x)+1 noeuds voisins, chaque noeud x choisit celui qui est le plus proche de la destination dans G, et lui transmet le message
• Attention : distance dans G
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1) « Petitmondisation »
Un graphe G est petitmondisable s’il existe une distribution D telle que le routage glouton dans (G,D) s’effectue en O(polylog n) nombre d’étapes en moyenne.
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Extension de la grille
• Un graphe est de croissance bornée si, pour tout noeud x et tout r>0, la taille de la boule de rayon r centrée en x est rf(r,x) où f satisfait... bon, disons des « conditions spécifiques ».
• Tout graphe de croissance bornée est petitmondisable.
(Duchon, Hanusse, Lebhar, Schabanel)
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2) Modèles Hiérarchiques
Prob(xy) ≈ hauteur de leur plus petit ancêtre commun(Kleinberg)
x y
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Hiérarchies imbriquées
• Lieu d’habitation, profession, hobbies, etc. • Comment extraire une hiérarchie « globale »
qui reflète toutes ces hiérarchies ?
Outil = décompositions arborescentes
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Décomposition arborescente
(Robertson & Seymour)Une décomposion arborescente d’un
graphe G=(V,E) est une paire (T,X) où T est un arbre d’ensemble de sommets I, et X est une collection Xi V, i I telle que :
1. iI Xi = V
2. e=x,y E, i I / x,y Xi
3. Si j est sur le plus court chemin entre i et k dans T alors Xj Xk Xi
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Xi
Xk
Xj
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Sommet x
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Séparateurs récursifs
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Largeur d’arborescence• La largeur d’une décomposition
arborescente (T,X) est w(T,X) = maxiI |Xi| - 1
• La largeur d’arborescence tw(G) d’un graphe G est la largeur minimale d’une décomposition arborescente (T,X) de G
tw(G) = min(T,X) w(T,X)
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CentroïdeLe centroïde d’un arbre T de n noeuds est un noeud v tel que T-v est une forêt d’arbres d’au plus n/2 noeuds.
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Centroïdes récursifs et augmentation
(1)
(3)
(2)
x (4)
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Routage glouton
• Pour tout graphe G de largeur d’arborescence ≤ k, il existe une distribution D telle que le routage glouton dans (G,D) s’effectue en
O(k log2n) étapes en moyenne.
(Fraigniaud)
• Application : graphes de largeur arborescente bornée (arbres, cycles, planaires extérieurs, etc.)
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Réseaux sociaux Les réseaux sociaux ont (pour la
plupart) un coefficient de « clustering » élevé, c-à-d la probabilité que deux noeuds ayant un voisin commun soit connectés est « élevée ».
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Une mauvaise nouvelle
• Les réseaux sociaux sont localement denses !
ils ont une grande largeur d’arborescence...
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Une bonne nouvelle• Les réseaux sociaux sont
localement denses ! ils n’ont généralement que
peu de cycles longs
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CordalitéLa cordalité d’un graphe est la longueur
de son plus long cycle induit
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22 juin 2005 P. Fraigniaud - GT Sphère - GDR I3 42
Graphe de cordalité bornée
• Pour tout graph G de cordalité ≤ k, il existe une distribution D telle que le routage glouton dans (G,D) s’effectue en
O((k + log n) log n) étapes en moyenne.
(Fraigniaud)
• Application: graphes de cordalité O(log n)
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Application possibles Conception de : réseaux pair-à-pair réseaux de processeurs
22 juin 2005 P. Fraigniaud - GT Sphère - GDR I3 44
Réseaux pair-à-pair• S’oppose au modèle « maître-
esclave » : tous jouent le même rôle. • Publication et recherche : Table de
Hachage Distribuée (DHT)– Espace de clés K (espace métrique)– Fichiers et utilisateurs sont « hachés » dans
cet espace (fonction de hachage h commune)
– Un utilisateur de clé K prend en charge les fichiers de clé les plus proches de dans K
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Router vers une clé
• Objectif central : aller au noeud x en charge de la clé K
• Solution 1 : Maintenir de façon dynamique une topologie structurée
• Solution 2 : Utiliser l’anneau augmenté « harmoniquement »
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22 juin 2005 P. Fraigniaud - GT Sphère - GDR I3 47
Conclusion (1)
• Les résultats de l’expérience de Milgram ne sont pas encore très bien compris ni d’un « point de vue conceptuel », ni d’un « point de vue formel ».
• Besoin d’un modèle hiérarchique vraiment satisfaisant.
• De nombreuses applications potentielles : pair-à-pair, réseaux dynamiques, etc.
22 juin 2005 P. Fraigniaud - GT Sphère - GDR I3 48
Conclusion (2)
Problèmes ouverts : – Tout graphe est-il petitmondisable ? – Peut-on augmenter l’anneau de façon
à ce que le routage glouton s’effectue en O(log2n/loglog n) nombre moyen d’étapes ?
22 juin 2005 P. Fraigniaud - GT Sphère - GDR I3 49
Des pointeurs
« A New Perspective on the Small-World Phenomenon: Greedy Routing in Tree-Decomposed Graphs »
In 13th Annual European Symposium on Algorithms (ESA), 2005.
http://www.lri.fr/~pierre