background image

Introduction

background image

Lecture Outline

• Introduction
• System Optimization
• Modeling
• Optimization Problems 
• Algorithms and Optimization Methods
• Computer Networks
• Definitions
• Concluding Remarks

background image

Lecture Outline

• Introduction

• System Optimization
• Modeling
• Optimization Problems 
• Algorithms and Optimization Methods
• Computer Networks
• Definitions
• Concluding Remarks

background image

Introduction

• In recent years we can observe very fast 

development of computer networks

• Nowadays in most areas of human life computer 

networks play a very significant role

• Thus, there is growing need to develop various 

methods to improve network performance

• One of possible approaches is to provide effective 

methods for optimization of computer networks

background image

Globecom 2010, Miami, USA

background image

Pinging www.nba.com

c:\>ping www.nba.com
Pinging a1570.gd.akamai.net [150.254.186.92] with 32 bytes of 

data:

Reply from 150.254.186.92: bytes=32 time=5ms TTL=58
Reply from 150.254.186.92: bytes=32 time=5ms TTL=58
Reply from 150.254.186.92: bytes=32 time=6ms TTL=58
Reply from 150.254.186.92: bytes=32 time=5ms TTL=58

15000k

 50

ms

background image

Pinging www.nba.com

c:\>ping www.nba.com
Pinging a1570.gd.akamai.net [150.254.186.92] with 32 bytes of 

data:

Reply from 150.254.186.92: bytes=32 time=5ms TTL=58
Reply from 150.254.186.92: bytes=32 time=5ms TTL=58
Reply from 150.254.186.92: bytes=32 time=6ms TTL=58
Reply from 150.254.186.92: bytes=32 time=5ms TTL=58

4

0

0

k

m

background image

Akamai

• Akamai provides services to companies that 

publish 

content on the Internet

 

• The idea is to more 

efficiently deliver content

 to users 

browsing the Web and downloading content

• Akamai 

transparently mirrors

 the source content (e.g., 

HTML, CSS, audio, video, software downloads) delivered 
from customer servers

• Akamai has deployed the world’s largest globally-

distributed computing platform, with more than 

95,000 

servers

 in 71 countries within nearly 1,900 networks

• Akamai delivers between 

15-30% of all Web traffic

• Akamai delivers daily Web traffic reaching more than 

Terabits per second

background image

Traffic milestones

background image

Global Consumer Internet Traffic, 2010-

2015, by Geography (EB per Month) 

[Source: Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2010-2015]

background image

Global Consumer Internet Traffic, 2010-

2015, by Subsegment (EB per Month) 

[Source: Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2010-2015]

background image

Global Consumer Internet Video, 2010-

2015, by Category (EB per Month)

[Source: Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2010-2015]

background image

Global Mobile Data Traffic, 2011-2016, 

by Application Category (TB per 

Month)

[Source: Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2011-2016]

background image

Global Mobile Data Traffic, 2011-2016, 

by Device Type (TB per Month)

[Source: Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2011-2016]

[Source: Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2011-2016]

background image

Lecture Outline

• Introduction

• System Optimization

• Modeling
• Optimization Problems 
• Algorithms and Optimization Methods
• Computer Networks
• Definitions
• Concluding Remarks

background image

Modeling and Optimization

Problem Formulation

Modeling

Optimization

background image

Optimization Goals

• Financial savings
• Operation improvement
• Work efficiency
• Improvement of reliability
• Improvement of security
• Reduction of resource consumption

background image

Financial Savings Example 

(1)

• SolveIT Software company was started by 

Zbigniew Michalewicz

• One of systems offered by SolveIT Software 

support to process of leasing cars selling in 
General Motors

• Each year about 1 500 000 used cars return to 

GM from leasing

• For each car a decision is to be made where to 

send the car for selling, there are about 50 such 
places in USA

background image

Financial Savings Example 

(2)

• The solution space (problem size) is 

1500000

50

=6.4x10

308

• Savings about 100 USD per one car, yields 150 

000 000 USD  per year

• The proposed optimization system uses 

computational inteligence and takse into 
account many various constraints

• Additional advantage is the employment 

reduction 

background image

Optimization Objectives

• Cost (e.g., capacity)
• Delay
• Throughput
• Reliability
• Security
• Resource consumption
• Etc.

background image

Cost Objective Example (1)

• SolveIT Software System for GM
• The objective is to minimize to transport cost of 

leasing cars for selling

• 8 cars can be transported on a one truck
• The cost of one truck is 800 USD
• Two possible objective functions:

– Linear function (approximation of real 

situation, but easy for optimization)  

– Piecewise linear function (difficult for 

optimization)

background image

Cost Objective Example (2)

background image

Reliability Objective 

Example

• A reliable computer network topology is to be 

designed, i.e., there must be at least two disjoint 
paths for each node pair

• Paths can be: 

– Link disjoint – the network is protected 

against a single link failure

– Node disjoint –  the network is protected 

against a single node (e.g., router) failure

• 3 disjoint paths protect the network against a 

double failure

background image

Capacity Objective Example

• A computer network is to be designed to send the 

given traffic and minimize the overall network cost

• The network cost is defined as the cost of capacity 

installed on network links

• The capacity cost depends on the link length and 

other factors

• The cost can be: linear, convex, piecewise linear, 

nonlinear, etc.

background image

Optimization Constraints

• Cost (e.g., capacity)
• Delay
• Throughput
• Reliability
• Security
• Resource consumption
• Etc.

background image

Constraints Example (1)

• SolveIT Software System for GM takes into 

account many constraints related to the process 
of cars’ selling, e.g.,:

– White cars are not well sold in Florida
– Cabrio cars are not popular in Alaska
– There was an car crash caused by a AAA car in 

Colorado, thus it will be difficult to sell AAA 
cars for some time in Colorado

– Hybrid cars are very popular in California

background image

Constraints Example (2)

• In the network design problem with capacity 

objective there can be additional constraints:

– Network realibility, i.e., two disjoint paths for 

each node pair for a given demand value

– Link capacity is upper and lower bounded 

according to technological and physical 
constraints (e.g., number of fibers, number of 
ports in the router, etc.)

– Network delay cannot exceed a given threshold

background image

Lecture Outline

• Introduction
• System Optimization

• Modeling

• Optimization Problems 
• Algorithms and Optimization Methods
• Computer Networks
• Definitions
• Concluding Remarks

background image

Modeling

• To enable optimization, first a mathematical 

model of the considered problem must be 
formulated

• The model includes variables, constants, 

objective function and constraints

• The size of the model (i.e., number of variables 

and constraints) should be as small as possible

• Since the most effective optimization methods 

are developed for linear problems, often 
nonlinear objective function and constraints are 
approximated using linear functions

background image

SolveIT Example (1)

indicies
c = 1,2,…,C 

cars

p = 1,2,…,Pauction places
constants
t

cp

 

transport cost of car c to place p

color(c

color of car c

brand(c)

brand (automaker) of car c

typeI(c)

type of car c

state(p)

state of auction place p

background image

SolveIT Example (2)

variable
x

cp

 

= 1, if car c is sent to place p; 0, otherwise

objective
minimize 

p

x

cp

t

cp 

constraints

x

cp

 = 1,   c = 1,2,…,C 

x

cp

 = 0,   for   color(c) = WHITE,   state(p) = Florida

x

cp

 = 0,   for   brand(c) = AAA,   state(p) = Colorado

x

cp

 = 0,   for   type(c) = cabrio,   state(p) = Alaska

x

cp

 = 1,   for   type(c) = hybrid,   state(p) = California.

background image

Network Design Example (1)

indices
d = 1,2,…,D

demands

p = 1,2,…,P

d

candidate paths for demand d

e = 1,2,…,Elinks
constants

edp

= 1, if link e belongs to path p realizing 

demand d; 0,  otherwise

h

d

    volume of demand d

e

 

unit (marginal) cost of link e

background image

Network Design Example (2)

variables
x

dp

flow allocated to path of demand 

(continuous 

non-negative)

y

e

capacity of link (continuous non-negative)

objective
minimize F = 

e

y

e

constraints

x

dp

 = h

d

,   d = 1,2,…,D

d

edp

x

dp

  y

e

,   e = 1,2,…,E.

background image

Lecture Outline

• Introduction
• System Optimization
• Modeling

• Optimization Problems 

• Algorithms and Optimization Methods
• Computer Networks
• Definitions
• Concluding Remarks

background image

Kinds of Optimization Problems 

(1)

• Without constraints
• With constraints
• Linear – objective function and all constraints are 

linear

• Nonlinear – objective function or/and at least 

one constraint is not linear

• Convex – objective function or/and at least one 

constraint is convex

• Continuous – variables are continuous
• Integer – variables are integer

background image

Kinds of Optimization Problems 

(2)

• P  problems (deterministic polynomial time) – the 

solution can be found in polynomial time

• NP problems (nondeterministic polynomial time) 

– the solution can be only verified (checked) in 
polynomial time

• NP-hard (nondeterministic polynomial time hard) 

problems is a class of problems that are, at least 
as hard as the hardest problems in NP

• P versus NP problem is one of the most 

imporatant unsolved problems

background image

Examples of NP-hard 

Problems

• Knapsack problem
• Hamiltonian path problem
• Travelling Salesman Problem (TSP)
• Vertex cover problem
• Graph coloring problem
• 3SAT problem

background image

Problem Size

• The size of the problem is a function of the 

number of variables and constraints

• The time needed to solve a problem depands on 

the problem size as well as on the construct of 
the objective function and constraints

background image

Lecture Outline

• Introduction
• System Optimization
• Modeling
• Optimization Problems 

• Algorithms and Optimization Methods

• Computer Networks
• Definitions
• Concluding Remarks

background image

Algorithm

• In mathematics, computer science, and other 

related subjects, an algorithm is an effective 
method for solving a problem expressed as a 
finite sequence of instructions

• The word "algorithm" comes from Muhammed 

ibn Musa Alchwarizmi (ىسوم نبببب دمح م هللببا دبع وبأبو عبد الله محمد بن موسى 

يمزراوخلببا), persian mathematician that lived in IX 

century

• The algorithm can be implemented as computer 

programs or some other device

background image

Types of Algorithms (1)

• Polynomial time algorithms – the runninig time 

of the algorithm can be limited by a polynomial, 
which is a function of the problem size. Problems 
that can be solved by polynomial time algorithm 
are relatively simple

• Exponential time algorithms - the runninig time 

of the algorithm is not polynomial. Problems that 
do not have polynomial time algorithms can be 
solved by methods like branch and bound

background image

Types of Algorithms (2)

• Exact algorithms can find an optimal solution, 

e.g., in the case of linear problems the Simplex 
method is an exact algorithm, in the case of 
integer problems, the branch and bound method 
can provide the optimal solution

• Heuristics provide suboptimal results without 

the guarantee of optimality, e.g., evolutionary 
algorithm, tabu search, greedy search, 
constructive algorithms

background image

Types of Algorithms (3)

• Brute-force (exhaustive search)
• Divide and conquer 
• Greedy method 
• Linear programming 
• Randomized (probabilistic)
• Artificial intelligence 

background image

Algorithm Complexity

• Bubble sorting of n element table

–  O(n

2

)

• Binary search of sorted database including n 

elements

– O(log

2

n)

• Brute force password hacking (n bits length) 

– O(2

n

)

• Dijkstra algorithm (shortest path) for n vertex 

graph

– O(n

2

• Brute force prime number n check 

– O(n)

background image

Polynomial versus 

Exponential

• Polynomial 

algorithm with 
complexity 10

5

n

3

• Exponential 

algorithm with 
complexity 2

n

• 10

9

 operations per 

1 second

n

10

5

n

2

20

0.08 sec 0.001 sec

30

0.27 sec

1.07 sec

40

0.64 sec

17 min

50

1.25 sec

13 dni

60

2.16 sec

36 lat

background image

Lecture Outline

• Introduction
• System Optimization
• Modeling
• Optimization Problems 
• Algorithms and Optimization Methods

• Computer Networks

• Definitions
• Concluding Remarks

background image

Store and Forward

background image

Unicast

• One-to-one – one 

source and one 
destination

• Examples: IP 

protocol, VoIP, WWW

s

d

d

background image

Broadcast

s

d

d

d

d

• One-to-all – one 

source and all 
destinations

• Examples: WiFi, 

ARP, DHCP

background image

Multicast

s

d

d

• One-to-many – 

one source and 
selected 
destinations

• Examples: IPTV, 

Video on Demand, 
internet radio 

background image

Anycast

s

d

d

• One-to-one-of-

many – one 
source and one 
selected 
destination

• Examples: DNS, 

CDN

background image

Lecture Outline

• Introduction
• System Optimization
• Modeling
• Optimization Problems 
• Algorithms and Optimization Methods
• Computer Networks

• Definitions

• Concluding Remarks

background image

Definitions (1)

Definition. Set X  R

n

 is convex, if for any two 

points x

1

,x

2

  X

[x

1

,x

2

]={x = 

x

+ (1 – 

)x

2

, 0 

 

 

 

1}  X

Example of two dimension convex figures: circle, 

eclipse, square

background image

Defintions (2)

Definition. Function f : X  R

m

 , X  R

n

 , is linear, if 

for every x

1

,x

2

  and any real 

1

 i 

that, 

1

x

1

 + 

2

x

 X satisfied is

f(

1

x

1

 + 

2

x

2

) = 

1

f(x

) + 

2

f(x

2

)

Definition. Let X  R

n

 be a convex set. Function  f : 

X  R

1

 is  convex, if for any x

1

,x

2

  we have

f(

x

+ (1 – 

)x

2

)  

f(x

1

) + (1 – 

)f(x

2

), 

  [0;1]

If the inequality is sharp, the function is strictly 

convex

Definition. Function f is concave, if –f  is convex 

and vice versa

background image

Examples

Convex 

function

Nonconvex 

function

Concave 

function

background image

Graphs (1)

• Graph G = <VE> is a set of vertices (nodes) 

v= 1,2,…,V and a set of edges (links) e= 1,2,
…,E that connect pairs of vertices

• A graph may be: 

– undirected –  there is no distinction between 

the two vertices associated with each edge

– directed – every edge <v

1

v

2

> is directed, v

1

 

is the source vertex and v

2

 is the desitnation 

vertex for this edge

• Network S = <Gh

1

,…, h

w

> is defined as a graph 

G and a set of functions h

i

, that assign a real 

number to each edge

background image

Graphs (2)

• Let v

1

v

2

,...,v

a

, (> 1) be a sequence of various 

nodes that 
<v

,v

i+1

> is an oriented link for each = 1,...,a-1

• Sequence of nodes and link v

1

, <v

1

,v

2

>, v

2

,..., v

a-1

, <v

a-

1

v

a

>, v

a

 is called a path

• The path cannot contain the same vertex more than 

once

• A computer network is modeled by a graph in the 

following way:

– vertices are network devices (routers, switches, 

etc.)

– edges are network links (fibers, cables, radio links, 

etc.)

background image

Lecture Outline

• Introduction
• System Optimization
• Modeling
• Optimization Problems 
• Algorithms and Optimization Methods
• Computer Networks
• Definitions

• Concluding Remarks

background image

Concluding Remarks

• The design process of complex systems including 

computer networks should include the phase of 

mathematical modeling what enables the 

application of optimization methods

• The model should be simple
• According the model, various kinds of 

optimization methods are used

• The main goal of modeling and optimization is to 

achieve expected benefits, mostly financial ones

• Many real problems encountered in computer 

networks are NP- hard and optimal solution is 

very difficult to be obtained

background image

Further Reading

• A. Tanenbaum, Computer Networks, Ed. 4, Prentice Hall, 

2003

• J. Kleinberg, E. Tardos, Algorithm Design, Addison Wesley, 

2005

• M. Pióro, D. Medhi, Routing, Flow, and Capacity Design in 

Communication and Computer Networks, Morgan Kaufman 
Publishers 2004


Document Outline