Estratégias e métricas para resiliência em redes de computadores presentation

RoteiroIntroducao

Resiliencia em Redes de ComputadoresMetrica de Resiliencia Proposta

Estrategias de Alteracao de Topologias PropostasConsideracoes Finais

Bibliografia

Estrategias e Metricas para a Resiliencia emRedes de Computadores

Donato Antonio Marino JuniorRonaldo Moreira Salles (Orientador)

Defesa de Dissertacao de Mestrado

Instituto Militar de Engenharia

Donato Marino (IME) Estrategias e Metricas para a Resiliencia em Redes de Computadores Agosto/2009 1 / 47

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Bibliografia

Roteiro I

1 IntroducaoResiliencia em Redes de ComputadoresObjetivosMotivacao

2 Resiliencia em Redes de ComputadoresTrabalhos RelacionadosMetricas de Topologias

3 Metrica de Resiliencia PropostaO Fator de ResilienciaTestes com as MetricasResultados

4 Estrategias de Alteracao de Topologias PropostasAlteracao de TopologiasEstrategias PropostasTestes Comparativos das Estrategias

5 Consideracoes FinaisConclusoes do TrabalhoTrabalhos Futuros

6 Bibliografia


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Bibliografia

Resiliencia em Redes de ComputadoresObjetivosMotivacao

Resiliencia em Redes de Computadores

Definicao

Resiliencia em redes e a habilidade de uma entidade de tolerar(resistir e automaticamente se recuperar de) desafios nas condicoesda rede, ataques coordenados e anomalias no trafego.[Aggelou, 2008]


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Objetivos do Trabalho

Obtencao de uma metrica que possa avaliar quao resiliente euma rede

Alteracao fısica de uma rede, utilizando estrategias baseadasna teoria dos grafos e redes sociais

Avaliacao e alteracao de redes reais que compoe a Internet,visando o aumento da resiliencia destas redes


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Motivacao

Melhorar a robustez de uma rede ante a falhas e ataquesdirecionados

Auxiliar no projeto de redes mais resilientes

Atender as demandas atuais da Internet em servicos quenecessitem de comunicacao ininterrupta


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Trabalhos RelacionadosMetricas de Topologias

Trabalhos Relacionados

Os trabalhos de [Najjar and Gaudiot, 1990] e[Liu and Ji, 2009] utilizam como metrica de resiliencia aprobabilidade de falhas que podem causar a desconexao deuma rede, alem de parametros de perda de trafego. Utilizamnos testes redes da classe n-regular, na qual todos os nospossuem o mesmo grau ou o mesmo numero de nos e enlaces.

O trabalho de [Dekker and Colbert, 2004] avalia metricas deconectividade em conjunto com a simetria da topologia.Analisa topologias simetricas, livres de escala, aleatorias eoutras.


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Trabalhos Relacionados

Improving Network Robustness by Edge Modification[Beygelzimer et al., 2005]Considera tres importantes metricas para avaliar a robustez deuma rede diante de falhas aleatorias e ataques direcionados e testaestrategias de insercao e remanejamento de enlaces para amelhoria da resiliencia. Metricas utilizadas:

Diametro

LCC - Largest Connected Component

AISPL - Average Inverse Shortest Path Length


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Metricas de Topologias

Composicao da Topologia e Grau dos Nos

Grau MedioDistribuicao do Grau dos NosDensidade

Distancia entre os Nos

ExcentricidadeDiametroAverage Inverse Shortest Path Length

Conectividade entre os Nos

Coeficiente de ClusterizacaoLargest Connected Componentk-conectividade


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Composicao da Topologia e Grau dos Nos

Grau MedioDistribuicao do Grau dos NosDensidade

Distancia entre os Nos

ExcentricidadeDiametroAverage Inverse Shortest Path Length

Conectividade entre os Nos

Coeficiente de ClusterizacaoLargest Connected Componentk-conectividade


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Diametro

Definido como a maior distancia geodesica entre dois pontospara toda a rede.

AISPL - Average Inverse Shortest Path Length

Media inversa do tamanho de todos os caminhos geodesicosde uma rede.

LCC - Largest Connected Component

Quantidade de nos do maior subgrafo resultante dadesconexao da rede causada por falha ou ataque.


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k-conectividade

Definicao

Seja G um grafo k-conexo. Entao para qualquer par de vertices,existem pelo menos k caminhos vertice-disjuntos entre eles.[Skiena, 2008]


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O Fator de ResilienciaTestes com as MetricasResultados

Metrica de Resiliencia Proposta

k-conectividade parcial

A k-conectividade parcial de um grafo e expressa pelo percentualde testes no calculo da k-conectividade que mantiveram atopologia conexa, apos a remocao de combinacoes de k − 1vertices.


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k-conectividade parcial - Exemplo

Figura: Combinacoes para uma topologia de cinco nos


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O Fator de Resiliencia

O Fator de Resiliencia utiliza a k-conectividade parcial paramedir a robustez de uma rede.

Calcula da 2-conectividade parcial ate a (n − 1)-conectividadeparcial da rede

Considera duas importantes propriedades de grafos conexos:

Todo grafo conexo e 1-conexo.Todo grafo conexo e n-conexo, sendo n o numero total devertices.


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O Fator de Resiliencia

A expressao obtida para calculo do Fator de Resiliencia e:

FR =

n−1∑i=2

k(i)

(n−2)

Para a topologia utilizada como exemplo, o calculo seria:

k(2)+k(3)+k(4)(5−2) = 1+0,9+0,7

3 = 0, 8666


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Validacao da Metrica Proposta

Simulacoes de Ataques aos nos de maior importancia

Nas simulacoes foram utilizadas medidas de centralidadeoriundas do estudo de Redes Sociais [Wasserman et al., 1994]:

Degree Centrality (DC)Closeness Centrality (CC)Betweeness Centrality (BC)

Comparacao dos resultados com as metricas do trabalhorelacionado


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Topologias usadas nos testes

Figura: Telcordia - 15 nos e 28 enlaces


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Figura: Cost-239 - 19 nos e 40 enlaces


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Figura: JaNet - 29 nos e 45 enlaces


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Figura: Renater - 30 nos e 42 enlaces


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Figura: RNP - 27 nos e 26 enlaces


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Figura: UKNet - 30 nos e 51 enlaces


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Softwares utilizados nos Testes

Vertex

Indica Topologia Conexa/Nao ConexaIndica Topologia Completa/Nao CompletaPermite identificar a k-conectividade “completa”Calcula o Fator de Resiliencia

SocNetV - Social Network Visualizer

Calcula DC, CC e BCCalcula DiametroCalcula Average Shortest Path LengthTabela de caminhos geodesicos da topologia


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AISPL - Ataques aos nos de maior CC e BC

* Apresentou inconsistencia quando o ataque desconecta a topologia

* O AISPL realiza calculo no LCC


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LCC - Ataques aos nos de maior CC e BC

* Nao diferencia as topologias em seu estado original

* Sua queda refletia apenas a quantidade de nos atacados


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Diametro - Ataques aos nos de maior CC e BC

* Inconsistente nos testes com a Renater e a RNP

* O Diametro realiza calculo no LCC


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Fator de Resiliencia - Ataques aos nos de maior CC e BC


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Fator de Resiliencia x AISPL

Topologia Telcordia Topologia Cost-239


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Fator de Resiliencia x LCC

Topologia Janet Topologia Renater


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Fator de Resiliencia x Diametro

Topologia Telcordia Topologia Cost-239


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Conclusoes dos Testes da Metrica Proposta

O Fator de Resiliencia foi a metrica mais consistente naanalise da robustez de uma rede

Apresentou boa precisao no seu valor permitindo acomparacao de topologias

Nos testes de simulacao de ataques apresentou coerencia emtodos os resultados, diferente das metricas do trabalhorelacionado

Na comparacao com as outras metricas nos seus melhorescasos, os resultados do Fator de Resiliencia seguiramcorretamente a tendencia de queda apos os ataques


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Alteracao de TopologiasEstrategias PropostasTestes Comparativos das Estrategias

Alteracao de Topologias

Na segunda parte deste trabalho, analisamos estrategias dealteracao de topologias com o objetivo de melhorar aresiliencia de uma rede

Utilizamos as estrategias apresentadas no trabalho de[Beygelzimer et al., 2005] na comparacao com as propostasneste trabalho


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Estrategias Estudadas

Insercao Aleatoria de Enlaces

Insercao Preferencial de Enlaces

Remanejamento Aleatorio de Enlaces

Remanejamento Aleatorio de Enlace Vizinho

Remanejamento Preferencial de Enlaces

Remanejamento Preferencial de Enlace Aleatorio


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Estrategias Estudadas

Insercao Aleatoria de Enlaces

Insercao Preferencial de Enlaces

Remanejamento Aleatorio de Enlaces

Remanejamento Aleatorio de Enlace Vizinho

Remanejamento Preferencial de Enlaces

Remanejamento Preferencial de Enlace Aleatorio


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Estrategias Propostas

Objetivos que foram considerados na elaboracao das estrategiaspropostas:

Utilizacao de redes reais nos testes

Evitar a utilizacao de estrategias aleatorias de alteracao detopologias

Permitir o aumento da resiliencia com poucas alteracoes

Utilizar a insercao e remanejamento de enlaces


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Estrategia de Remanejamento de Enlaces

Estrategia

Desconectar do no de maior degree centrality o enlace conectadoao no adjacente de maior closeness centrality e reconecta-lo ao node menor degree centrality da rede.

Objetivos

Diminuir o grau do no com maior DC da rede

Aumentar o grau do no com menor DC da rede

Diminuir o diametro da rede


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Estrategia de Insercao de Enlaces

Estrategia

Inserir enlace conectando o no de menor degree centrality com ono de menor closeness centrality da rede.

Objetivos

Aumentar o grau do no com menor DC da rede

Aumentar a proximidade do no de menor CC da rede


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Testes com a Cost-239


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Testes com a Telcordia


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Testes com a RNP


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Conclusoes dos Testes das Estrategias Propostas

Estrategia de Insercao de Enlaces

Cost-239 - Aumentou o FR em 23%, 8% maior comparadocom a estrategia do trabalho referenciadoTelcordia - Aumentou o FR em 38%, 5% maior comparadocom a estrategia do trabalho referenciadoRNP - Aumentou o FR em 23%, 22% maior comparado com aestrategia do trabalho referenciado

Estrategia de Remanejamento de Enlaces

Cost-239 - Aumentou o FR em 11%, 9% maior comparadocom a estrategia do trabalho referenciadoTelcordia - Aumentou o FR em 18%, 9% maior comparadocom a estrategia do trabalho referenciado


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Conclusoes do TrabalhoTrabalhos Futuros

Conclusoes do Trabalho

O trabalho apresentou o Fator de Resiliencia como a medidade robustez de uma rede.

Foram utilizadas topologias reais de backbones comerciais eacademicos, em simulacoes de ataques aos nos de maiorimportancia da rede, baseados em conceitos de redes sociais.

Os testes realizados com o Fator de Resiliencia foram maisprecisos e mais consistentes do que com outras metricaspropostas em trabalhos anteriores.


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Conclusoes do Trabalho

O trabalho tambem apresentou duas estrategias de alteracaode topologias, inserindo ou remanejando enlaces.

Foram realizados testes em topologias reais, comparando asestrategias propostas com as melhores estrategias do trabalhode [Beygelzimer et al., 2005]

Os testes realizados mostraram que com apenas cincoalteracoes as estrategias propostas foram superiores noobjetivo de melhorar a resiliencia destas redes.


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Bibliografia


Artigo Cientıfico

“Medindo a Robustez de Uma Rede com o Fator deResiliencia” [Marino Jr. and Salles, 2009]

IADIS International Conference WWW/Internet 2009.

Outubro de 2009, Universidad de Alcala, Madrid.


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Bibliografia


Trabalhos Futuros

Pesquisa de novos algoritmos ou heurısticas para o calculo dak-conectividade parcial

Novas abordagens de alteracao de topologias, utilizandooutras estrategias e outras metricas

Estudo de um procedimento para o projeto de redes resilientes


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Bibliografia

Bibliografia I

Aggelou, G. (2008).Wireless Mesh Networking.McGraw-Hill Professional.

Beygelzimer, A., Grinstein, G., Linsker, R., and Rish, I. (2005).Improving network robustness by edge modification.Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 357(3-4):593–612.

Dekker, A. H. and Colbert, B. D. (2004).Network robustness and graph topology.In Estivill-Castro, V., editor, ACSC, volume 26 of CRPIT, pages 359–368.Australian Computer Society.

Liu, G. and Ji, C. (2009).Scalability of network-failure resilience: Analysis using multi-layer probabilisticgraphical models.IEEE/ACM Trans. Netw., 17(1):319–331.


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Bibliografia

Bibliografia II

Marino Jr., D. A. and Salles, R. M. (2009).Medindo a robustez de uma rede com o fator de resiliencia.In Proceedings of the IADIS International Conference WWW/Internet 2009,Madrid, Espanha.

Najjar, W. and Gaudiot, J.-L. (1990).Network resilience: A measure of network fault tolerance.IEEE Transactions on Computers, 39(2):174–181.

Skiena, S. S. (2008).The Algorithm Design Manual.Springer, 2nd edition.

Wasserman, S., Faust, K., and Iacobucci, D. (1994).Social Network Analysis : Methods and Applications (Structural Analysis in theSocial Sciences).Cambridge University Press.


Technology

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