routage multi-chemins par interface d’entrée

Routage Multi-Chemins par Interface d’Entrée

Jury de soutenance

Jean-Jacques Pansiot, Université Louis Pasteur, Directeur de thèseStéphane Cateloin, Université Louis Pasteur, Co-encadrant de thèseThomas Noël, Université Louis Pasteur, Rapporteur interneOlivier Bonaventure, Université Catholique de Louvain, Rapporteur externeAbdelmadjid Bouabdallah, Université de Technologie de Compiègne, Rapporteur externeAnnie Gravey , TELECOM Bretagne, Brest, Examinatrice

Pascal MérindolPascal Mérindol

Plan Contexte

Etat de l’art• Le routage Internet• Problématique multi-chemins

Contributions & Propositions• Calcul des chemins : Dijkstra-Transverse• Validation des chemins : Routage sans boucles DT(p) • Cartographie et évaluation de la diversité

Evaluations et applications• Protection et restauration• Equilibrage de charge• Résultats de simulations

Conclusions & Perspectives2

Contexte Routage et modélisation

Protocole de routage intra-domaine

Protocole de routage inter-domaine

3

Système autonome

1- Contexte

2- Etat de l’art •Le routage Internet•Problématique multi-chemins

3- Contributions & Propositions•Calcul des chemins •Validation des routes•Evaluation de la diversité

4- Evaluations sur applications•Protection et Restauration •Equilibrage de charge•Résultats de simulations

5 -Conclusions & Perspectives

Contexte Routage mono ou multi-chemins

4

14

3

2

76

D

5

S

Meilleur chemin

1- Contexte


3- Contributions & Propositions•Calcul des chemins •Validation des chemins •Evaluation de la diversité



Avantages de la diversité des chemins :1. Contourner les pannes : diminution du temps de restauration

2. Equilibrer la charge : augmentation des débits

Chemin alternatif 1

Chemin alternatif 2

D D D

D

ContexteComposants du routage

Diffusion de l’information topologique Apprentissage du domaine de routage

Calcul des chemins Algorithme de cheminement (Routing Information Base : RIB)

Commutation des paquets Mécanisme de correspondance (Forwarding Information Base : FIB)

Destination

Prochain saut

Label d’entrée,Port d’entrée

Port de sortie,Label de sortie

5

Commutation classique

Commutation par étiquette

1- Contexte





Etat de l’art Contexte

Etat de l’art • Le routage Internet• Problématique multi-chemins distribués


Applications• Protection et Restauration• Equilibrage de charge• Ingénierie de trafic et résultats de simulations


Le routage internet

7

Plusieurs types de routage :

• Centralisé : serveur d’informations (topologique et/ou de trafic)• Par la source : positionnement des routes depuis un routeur

d’entrée• Distribué : au saut par saut

1- Contexte





Par la source

Centralisé Distribué

Routage par la source

Route signalée par étiquetage• Commutation par étiquettes (identifiants courts)• Protocole : Multi-Protocol Label Switching (MPLS)

[RFC3031]

• Positionnement des routes avec un protocole de signalisation explicite tel que RSVP-TE [RFC3209] ou CR-LDP [RFC3213]

• Mise en œuvre d’un algorithme multi-chemins : K meilleurs chemins [Eppstein94], totalement disjoints

[Suuberall79] , disjoints en bande passante, contraintes multiples

8

1- Contexte





•Optimisation •Qualité de service (QoS)

•Répartition rigide de la charge (par chemin)•Coût de labellisation (par segment)

Routage saut par saut

Routage à vecteurs de distances• Algorithme : Bellman-Ford distribué [Bellman & Ford58]

• Protocoles : RIP [RFC1058], IGRP

Routage à états des liens• Algorithme : Dijkstra [Dijkstra69]

• Protocoles : OSPF [RFC2178], IS-IS [RFC1142] , EIGRP• Extension multi-chemins : ECMP Meilleurs coûts

égaux

Propriété de sous-optimalité des meilleurs chemins :

Un segment de meilleur chemin est un meilleur chemin

Composition cohérente des prochains sauts

9

1- Contexte





1

4

3

2

76

D

5

S

TerminologieChemin • Entité de routage virtuelle calculée par un algorithme de

cheminement

Prochains sauts• Entité de routage concrète : premier saut d’un chemin

Route• Une suite de prochains sauts composés de proche en proche

Problème :Boucles de routage si coûts inégaux

10

1- Contexte





d

Routage saut par sautBoucles de routage

Règles pour un routage sans boucle : Niveau routeur

• Equal Cost Multipath Routing (vision locale) : ECMP [RFC2178], [RFC1142]

• Downstream Criteria [DC] (vision à un saut) : OSPF-OMP [Villamizar99], LFI [Vutukury2001]

Niveau lien• Vision à deux sauts [X. Yang & D. Wetherall2006]

Boucle au niveau routeur

Cohérence des routes : Composition des prochains sauts

11

1- Contexte





d

Boucles de routage

12

1- Contexte





d)(s,NH v d)(s,C d)(s,C j1j

d)(s,C d)(v,C 11

d)(p,C d)(v,C 11

d)(s,C j

d)(s,NH j

a b f

5

9

6

NH1(b,f)

NH3(b,f)

4

64

5C3(b,f)

C1(b,f)

c

e

d

• Un prochain saut alternatif v calculé sur s est viable si :• Vision local : (sous-

optimalité)

• Vision à un saut (DC) : (stricte décroissance)

• Vision à deux sauts : (p en amont de s)

: jeme meilleur coût entre s et d: jeme meilleur saut entre s et d

Méthode

Calcul local des arbres voisins• Problème : complexité calcul

Diffusion de vecteurs de distance• Récursivement transmis de proche en

proche

Messages de validation «demande/réponse»• A l’initiative de chaque nœud

Obtention des meilleurs coûts des nœuds voisins :

13

1- Contexte





Routage multi-chemins saut par saut

1

4

3

2

76

D

5

S

•Répartition de charge réactive•Extensibilité

•Nombre de chemins générés (boucles)•Gain de bande passante

D 4 2

D 5 2

Meilleur prochain sautSecond meilleur prochain

saut

14

1- Contexte





2

Synthèse de l’existant

15

Réactif

Proactif

1- Contexte





Contributions Contexte



Evaluations sur applications• Protection et Restauration• Equilibrage de charge• Ingénierie de trafic et résultats de simulations


Présentation générale

Trois objectifs :• Nombre de routes important Diversité accrue• Faible complexité Calcul des chemins peu coûteux• Extensibilité Déploiement incrémental

Deux étapes :• Un algorithme de cheminement : Dijkstra –

TransverseCalcul local des chemins Prochains sauts

candidats• Validation en profondeur et à l’initiative de chaque

nœud sur le graphe de composition de DT : DT(p)Validation distribuée des prochains sauts candidats

Routes

17

1- Contexte





Calcul des cheminsTerminologie

s

Nœud racine

Arcs des meilleurs chemins (+ orientation opposée) :3 meilleurs prochains sauts 3 branches Arcs transverses :

Liens entre branches

Arcs internes :Liens entre nœuds d’une même branche

Partitionnement des arcs :

18

1- Contexte





Calcul des chemins

L’algorithme Dijkstra Transverse :

s

2 4

1 6

3 5

Arbre des meilleurs chemins

Arcs transverses

Arcs retour

Chemin transverse simple : Meilleur chemin + un arc transverse

Exemples : S-5-3 et S-2-3-5

Chemin transverse retour : Chemin transverse simple + un segment de meilleur chemin retour

Exemples : S-5-3-2 et S-5-6-4

Chemin transverse avant : Chemin transverse simple ou chemin transverse retour + un segment de meilleur chemin

Exemples : S-5-3-2-1 et S-4-2-3

3 branches:

•S-5

•S-4 et S-4-6

•S-2, S-2-1 et S-2-3

19

1- Contexte





Synthèse Dijkstra-Transverse

Propriétés de DT :• Complexité équivalente à celle de l’algorithme

de Dijkstra• Deux prochains sauts au minimum :

• Prochains sauts candidats Matrice à deux dimensions :

• Nombres de successeurs• Nombre de destinations

s

A

CArc interne

Arc transverse

1 4 2 2 3

4 1 5 3 2

A B C D EA

B

E

D

B

20

1- Contexte





Validation des candidatsLocale (ou distribuée)• DT + validation sans distinction sur l’origine du traficCoût strictement décroissant à un saut (DC) :

Routage spécifique à l’interface d’entrée • Trafic local et trafic en transit règles différentes

Complexité paramétrable• Profondeur de validation configurable

Validation directe sur Dijkstra-Transverse : DT(1)• Composition de prochains sauts sans boucles• Critère de validation à un saut :

21

1- Contexte




5 -Conclusions & Perspectives d)(s,C d)(v, C 1j

d)(s,C d)(v, C 11

Exemple de validation

S

1

4

3

2

76

D

5

D D C1(5,D) 5

D 4 C2(5,D) 5

D D C1(5,D) 2

D 4 C2(5,D) 2

D D C1(5,D) 4

Meilleur prochain sautSecond prochain

sautTroisième prochain saut

DT(1) :IE DST NH COÛT

22

1- Contexte





5

Extension de DT(1) : DT(p)

23

• Règle formelle :

x, terminaison « positive » d’un chemin de composition P pour

un couple {s = source initiatrice, d = destination}

• Objectif :Augmentation du nombre de prochains sauts validés

• Méthode :• Procédure de validation étendue en profondeur si

un prochain saut n’est pas validé avec DT(1)• Vague de messages « Query/Response » avec

traitement des réponses en largeur d’abord• Chemin de composition : suite des prochains

sauts évaluée

1- Contexte





Ps)d,s(C)d,x(C,P)d,x(NHj 1jj

DT à profondeur p, DT(p)Messages de validation

query(d,3)

response(d,VALID)

ab

d

DT(1)

DT(2) Query(a,d,3,1,

[b])

2

4

32 2

Response(a,d,VALID,[b])

c

e

3

24

1- Contexte





•Message Query(s,d,c,q,P) :q : nb de sauts restants (q ≤ p)P : chemin de compositionc : meilleur coût sur s

•Message Response(s,d,c,P) :P : chemin de compositionc : code de retour (SKIP<VALID<LOOP)

Propriétés DT(p)Propriété de couverture NH(Trafic en transit) NH( Trafic local) ( Code SKIP)NH : Ensemble de prochains sauts validés

Absence de boucle au niveau lien• Terminaison d’un chemin de composition garantit un

coût strictement décroissant ( Code VALID)• Aucun chemin de composition ne contient la source

initiatrice s ( Code LOOP)Absence de boucle au niveau routeur• Même propriété niveau lien• Il existe un nœud en amont sur le chemin de

composition dont le meilleur coût est plus petit ou égal à celui de s

25

1- Contexte





Simulation & topologies

Network Simulator 2 : Intégration d’un module de calcul/validation multi-chemins

Mrinfo : Sonde utilisée pour la découverte de topologie réels4 topologies d’évaluation non valuées + 1

topologie valuéeGlobal Crossing 112 340 11

Alternet 83 334 8

Open Transit 76 206 11

Renater 79 198 9

#noeuds #liens Diamètre

26

Geant 23 74 4

1- Contexte





Alternet Global

Crossing

Nombre de prochains sauts

27

1- Contexte





Alternet Open-Transit Renater Global-Crossing

DT(1)/DCDT(2)/DCDT(3)/DC

Facteur d’augmentation du nombre de prochains sauts

DC

Distribution des routes

Open Transit & Alternet

28

1- Contexte





Open Transit & Alternet≈7000 et 6000 meilleurs

routes

SPFDCDT(1)DT(3)

Échelle logarithmiqueLongueur des meilleurs routes

Nombre de routes

Temps de convergence et couverture

•Deux types de panne : • Lien de cœur (PARIS-LYON) • Lien de bordure (BORDEAUX-TOULOUSE)

Renater

29

Alternet 18% 98% 99%

Open Transit 16% 60% 78%

Global Crossing

19% 71% 87%

Renater 10% 50% 67%

GEANT 37% 37% 75%

PARIS-LYON

BORDEAUX-TOULOUSE

Couverture

SPF DT(1) DT(2) DT(3)

SPF DT(1)DT(2) DT(3)

1- Contexte





DC DT(1) DT(3)

=> 9-17ms

=> 7-18ms

Evaluations sur applications Contexte



Evaluations sur applications• Protection et Restauration – pannes de liens/routeurs• Equilibrage de charge – congestions et optimisation globale • Ingénierie de trafic et résultats de simulations

Conclusions & Perspectives

30

Restauration rapide sur IP•Objectif :Réduire le temps de reprise sur panne •Méthode :Alternative locale et pré-calculée1. Détection physique de la panne {20ms}

• Niveau physique : alarmes SONET ou SDH• Niveau liaison : messages Hello

2. Notification de la panne• Avertissement de l’état des liens (LSA) {10ms+diamètre

réseau}

3. Calcul de l’arbre des plus courts chemins• Calcul de la table de routage (RIB) {dimension, ex : 10ms/100

routeurs}

4. Mise à jour de la table de commutation (FIB) {nombre de préfixes}

31

1- Contexte





IP Fast ReRouting (IPFRR IETF)

• Protection locale simple : Faible complexité

LFA [Atlas & Zinin2007] v alternative de secours loop free alternate sur s vers d si :

UTURN [Atlas2006]

et v dispose d’une sortie LFA vers d ne contenant pas le lien en panne

• Protection locale complète : Complexité croissante

• Tunnels orientés [Shand et Bryant2008]

• Adresse Notvia [Bryant et al2006]

32

d)(s,C s)(v,C - d)(v,C 111

d)(s,C s)(v,C - d)(v,C 111

1- Contexte





d)(s,NHs, 1

Reroutage local / global

•Protection locale•Prochain saut alternatif différent du lien incriminé

•Protection globale•Pas d’alternative locale

(pour un couple {interface d’entrée, destination} donné)

•Protocole de notification en amont

Existence d’un chemin alternatif en amont ne contenant pas le lien incriminé

33

1- Contexte





Résultats de couverture

Alternet 18% 98% 99% 99% 34% ~100%

Open Transit 16% 62% 78% 87% 33% 92%

Global Crossing

19% 73% 87% 91% 44% 96%

Renater 10% 51% 67% 69% 21% 85%

Geant 37% 83% 75% 87% 63% 94%

DC LFA DT(3) UTURN DC DT(3)

Taux de protection local / global

34

1- Contexte





Répartition de la chargeMéthodes proactives • Matrices de trafic : demandes moyennes point-à-

point• Cas normaux / pires cas (pannes…) ?

Saut par saut : modification de la valuation Par la source : modification des proportions à la

source

Méthodes réactives • Protocoles sondes : délais, bande passante

résiduelle• Heuristiques incrémentales

Risques d’oscillations 35

1- Contexte





Diversité et partage de Diversité et partage de chargecharge

36

1- Contexte





Développement d’un module de partage de charge destiné à l’évaluation de l’impact de la diversité :• Partage local (pas de coordination inter-routeurs)• Utilisation de deux seuils : Trois états : surchargé α > transitoire β > non chargé

Partage de charge : proportions de S vers D

S D

A

B

C

A BC

100%

Technique de répartition Technique de répartition

Flux 1Flux 2

37

1- Contexte





Trois types de répartition :

Niveau paquet : tourniquet Niveau flux (<src,dest,port,...>) : fonction de

hachage, estampille Niveau fenêtrage TCP

Qualité de service

Résultats d’évaluation

38

1- Contexte





Pour chaque entrée, k flux TCP (Reno → Sack)

Distribution de Pareto pour la taille, uniforme pour

les départs

GEANT est sur-provisionné

Congestions artificielles : 11, 1n, n1

Totem : matrices de trafic collectés sur GEANT

Réseau de recherche européen GEANT

Résultats moyens Configuration et indicateurs de performances

α=50%, β=25%, échelle de temps t =1s et fenêtre de 65 paquets

Utilisation du lien le plus chargé et nombre de paquets

perdus

39Charge cumulée (%)

DC DT(1) DT(3)Moyenne de la

réduction en perte (comparé à SPF)

3.8 4.2 6.5

Moyenne de la charge du pire lien (SPF : 76%)

61 61 51

1- Contexte





DT(3)DCSPF

Temps cumulé (%)

α

Exemple sur un lien critique Utilisation du lien le plus chargé• Slovénie Autriche, congestion : 1N

Pertes cumulées

Charge du lien

SPF, DC & DT(3)SPF, DC & DT(3)

40

8%

4%

2%

1%

100%=

2.5Mbs

50%

1- Contexte





Conclusion Contexte



Applications• Protection et restauration• Equilibrage de charge• Ingénierie de trafic et résultats de simulations

Conclusions & Perspectives

41

Synthèse & contributions• Algorithme Dijkstra-Transverse

Deux prochains sauts au minimumFaible complexité calcul

• Procédure de validation sans bouclesDiversité des routes validéesComplexité message/mémoire configurable

• Modularité Combinaison DT et procédure de validation : DT(p)

• Extensibilité et convergence Déploiement incrémental

Temps de convergence relatif à p

42

1- Contexte





Diversité utile à la protection et à l’équilibrage de charge

Perspectives

Protection globale• Rayon de couverture et temps de notification

Ingénierie de trafic• Notification des congestions et granularité• Coordination des routeurs et risques

d’oscillations

Extension vers routage inter-domaine• Combinaison diversité intra et inter-domaine

43

1- Contexte





PublicationsPublicationsPublications nationales • Mérindol P., Pansiot J.J., Cateloin S., Multiroutage par interface

d'entrée, ALGOTEL’06, Tregastel FRANCE.

• Publications internationales• Mérindol P., Pansiot J.J., Cateloin S., Path Computation for

Incoming Multipath Routing, ECUMN'07, Toulouse FRANCE.

• Mérindol P., Pansiot J.J., Cateloin S., Providing Protection and Restoration with Distributed Multipath Routing, SPECTS'08, Edinburgh UK.

• Mérindol P., Pansiot J.J., Cateloin S., Improving Load Balancing with Multipath Routing, ICCCN'08, Virgin Island US.

44

Routage Multi-Chemins par Interface d’Entrée

MERCI

Jean-Jacques Pansiot, Université Louis Pasteur, Directeur de thèseStéphane Cateloin, Université Louis Pasteur, Co-encadrant de thèseThomas Noël, Université Louis Pasteur, Rapporteur interneOlivier Bonaventure, Université Catholique de Louvain, Rapporteur externeAbdelmadjid Bouabdallah, Université de Technologie de Compiègne, Rapporteur externeAnnie Gravey , TELECOM Bretagne, Brest, Examinatrice

Pascal MérindolPascal Mérindol

Références (1)Références (1) [Bellman & Ford] R. Bellman. On a routing problem. Quarterly of Applied Mathematics, 16 :87–

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[RFC3209] D. Awduche, L. Berger, D. Gan, T. Li, V. Srinivasan, and G. Swallow. RSVP-TE : Extensions to RSVP for lsp tunnels. RFC 3209, IETF, 2001.

[RFC3213] B. Jamoussi, L. Andersson, R. Callon, R. Dantu, L. Wu, P. Doolan, T. Worster, and N. Feldman. Constraint-based lsp setup using ldp. RFC 3213, IETF, January 2002.

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[Villamizar99] C. Villamizar. Ospf optimized multipath (ospf-omp) : draft-ietf-ospf-omp-02.txt.Draft, IETF, February 1999.

[Xang & Wetherall2006] X. Yang and D. Wetherall. Source selectable path diversity via routing deflections.In SIGCOMM, volume 36, pages 159–170, october 2006.

[Atlas & Zinin2007] A. Atlas and A. Zinin. Basic specification for ip fast-reroute : Loop-free alternates draft-ietf-rtgwg-ipfrr-spec-base-06. Draft, IETF, mar 2007.

[Atlas2006] A. Atlas. U-turn alternates for ip/ldp fast-reroute draft-atlas-ip-local-protect-uturn-03. Draft, IETF, February 2006. 46

Références (2)Références (2) [Bryant et al2006] S. Bryant, M. Shand, and S. Previdi. Ip fast reroute using not-via addresses

draftbryant-shand-ipfrr-notvia-addresses-03.txt. Draft, IETF, October 2006.

[Shand et Bryant2008] M. Shand and S. Bryant. Ip fast reroute framework draft-ietf-rtgwg-ipfrr-framework-08.txt. Draft, IETF, February 2008.

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[Applegate et al.2004] D. Applegate, L. Breslau, and E. Cohen. Coping with network failures : routing strategies for optimal demand oblivious restoration. In SIGMETRICS, pages 270–281, New York, NY, USA, 2004. ACM.

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47

slides

BONUS

48

Exemple sur un segment critique Utilisation du lien le plus chargé• Slovénie Autriche, congestion : 1N

Pertes cumulées

Charge du lien

SPF, DC & DT(3)SPF, DC & DT(3)

49

8%

4%

2%

1%

100%=

2.5Mbs

50%

Warm up

1- Contexte





Passage à l’échelleet routage multi-chemins

Border Gateway ProtocolChemin d’AS choisi par tie-breaking (attributs : nb

d’AS,…)

Réseaux couvrants

Multi-domiciliation

ASdst

ASdst

AS source

AS source

AS source

AS source

ISP 1

ISP 1

ASdst

ASdst

ISP 3

ISP 3

ISP 2

ISP 2

Chemin BGP direct

« Chemin d’overlay »

50

AS2

AS1

ExtensibilitéLa complexité de DT(p) est liée au

nombre de destinations internes au domaine

Combinaison diversité intra et inter domaine

Partitionner le domaine en sous aires / préfixe.

Diffusion d’un préfixe P

In GWR

Out GWR 1

Out GWR 2

Choix du GWR de sortie Choix du

prochain saut 51

Présentation généraleCouche Réseau : Routage IPI. Diffusion de l’information

topologique

II. Algorithmique de cheminement

III.CommutationApplicatio

n

Session

Présentati

on

Transport

Réseau

Liaison

Physique

Applicatio

n

Session

Présentati

on

Transport

Réseau

Liaison

Physique

Réseau

Liaison

Physique

Réseau

Liaison

Physique

52

Distribution des degrés

Degré

Fréquence

NormalVision à un saut

Trafic en transit

53

Procédure générale

Construction d’une table de prochains sauts candidats

Validation par interface entrante(trafic en transit)

Validation pour le trafic local

d v cv(s,d)

d w cw(v,d)

d w cw(v,d) s

Validation du prochain saut w pour s en entrée

d v cv(s,d) s

s d

v w

Validation du prochain saut v pour s en entrée

Destination Prochain saut Coût

s

v

v

s

Interface d’entrée

s

v

s

54

IP-FRR Couverture complète

Tunnels et tunnels orientés [Shand et Bryant2008]

• Encapsulation vers le point de sortie• Un calcul de SPT inversé / interface local à

protéger

Addresse Notvia [Bryant et al2006]

• Adresse et commutation spécifique• Un calcul de SPT / interface globale à

protéger

s d

r

r/n/d

n

dd

d

Commutation normal : d | s| 2

Commutation Not via {s,d} : d | r| 4

55

Modification de la valuation [Fortz & Thorup2002], [Wang & al.2001], etc

Matrice de trafic / Evaluation des demandes point à point - Programmation linéaire

ECMP - partage statique inéquitable

Problème d’optimisation sur chemins MPLS• Hors ligne (matrice de trafic) [Applegate & Cohen2003], COPE [Applegate2003],

etc

Analyse des demandes dans les pires cas et/ou dans les cas nominaux

• En ligne (protocoles sondes) MATE [Elwalid et al2001], TeXCP [Kandula et al.2005], etc

Heuristiques saut par saut ECMP, LFI, OSPF-OMP, [Gojmerac &al.2005] etc

Méthodes incrémentales, proportions mobiles Analyse du segment critique, estimation des délais, bande passante

résiduelle, etc

Risque d’oscillations

Equilibrage de chargeEquilibrage de chargeÉtat de l’artÉtat de l’art

56

Contraintes : intégrité des proportions

Objectif : minimiser l’utilisation maximum des

liens

Procédure local pour le mouvement des

proportions :

1)( pxp dj

)(maxmin lUl

)()()(,

lUpxpxdp d

jdj

)(,),(,),(1 pxpxpx dn

dj

d Vecteur de proportions :

Ratio d’utilisation :

)(,

)()()(

spredpNd l

dj

d

c

pVpxlU

Seuil de réaction :

esurch

etransitoir

esurchsans argarg

1,,,,,,0

Si correspond au lien l)( pxdj

Equilibrage de chargeRoutage proportionnel réactif

57

58

sv

2

3

3

d

2

n est un LFA pour {s,v} →d

n

p

Meilleur chemin entre s et d

p est un UTURN pour {s,v} →d

59

Warm up

Warm up

59

60

RenaterOpen

Transit

Degré des nœuds

DC

DT(1

)

DT(2

)

DT(3

)

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Crossing

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