Backbone networks are responsible for long-haul data transport serving many clients with a large volume of data. Since long-haul data transport service must rely on a robust high capacity network the current technology broadly adopted by the industry is Wavelength Division Multiplexing (WDM). WDM networks enable one single ber to operate with multiple high capacity channels, drastically increasing the ber capacity. In WDM networks each channel is associated with an individual wavelength. Therefore a whole wavelength capacity is assigned to a connection, causing waste of bandwidth in case the connection bandwidth requirement is less than the channel total capacity. In the last half decade, Elastic Optical Networks (EON) have been proposed and developed based on the fexible use of the optical spectrum known as the exigrid. EONs are adaptable to clients requirements and may enhance optical networks performance. For these reasons, research community and data transport providers have been demonstrating increasingly high interest in EONs which are likely to replace WDM as the universally adopted technology in backbone networks in the near future. EONs have two characteristics that may limit its ecient resources use. The spectrum fragmentation, inherent to the dynamic EON operation, decrease the network capacity to assign resources to connection requests increasing network blocking probability. The spectrum fragmentation also intensifides the denial of service to higher rate request inducing service unfairness. Due to the fact EONs were just recently developed and proposed, the aforementioned issues were not yet extensively studied and solutions are still being proposed. Furthermore, EONs do not yet provide specific features as differentiated service mechanisms. Differentiated service strategies are important in backbone networks to guarantee client\'s diverse requirements in case of a network failure or the natural congestion and resources contention that may occur at some periods of time in a network. Impelled by the foregoing facts, this thesis objective is three-fold. By means of developing and proposing a mechanism for routing and resources assignment in EONs, we intend to provide differentiated service while decreasing fragmentation level and increasing service fairness. The mechanism proposed and explained in this thesis was tested in a EON simulation environment and performance results indicated that it promotes beneficial performance enhancements when compared to benchmark algorithms. / Redes backbone s~ao responsáveis pelo transporte de dados à longa distância que atendem a uma grande quantidade de clientes com um grande volume de dados. Como redes backbone devem basear-se em uma rede robusta e de alta capacidade, a tecnologia atual amplamente adotada pela indústria é Wavelength Division Multiplexing (WDM). Redes WDM permitem que uma única fibra opere com múltiplos canais de alta largura de banda, aumentando drasticamente a capacidade da fibra. Em redes WDMcada canal está associado a um comprimento de onda particular. Por conseguinte, toda capacidade do comprimento de onda é atribuída a uma única conexão, fazendo com que parte da largura de banda seja desperdiçada no caso em que a requisição de largura de banda da conexão seja menor do que a capacidade total do canal. A partir da metade da última década, as Redes Ópticas Elásticas (Elastic Optical Networks - EON) têm sido propostas e desenvolvidas com base no uso flexível do espectro óptico conhecido como flexigrid. EONs s~ao adaptáveis às requisições por banda dos clientes e podem, portanto, melhorar o desempenho das redes ópticas. Por estas razões, EONs têm recebido cada vez mais interesse dos meios de pesquisa e provedores de serviço e provavelmente substituirão WDM como a tecnologia universalmente adotada pela indústria em redes backbone. EONs têm duas características que podem limitar a utilização eficiente de recursos. A fragmentação do espectro, inerente à operação dinâmica das EONs, pode diminuir a capacidade da rede em distribuir recursos ao atender às solicitações por conexões aumentando a probabilidade de bloqueio na rede. A fragmentação do espectro também intensifica a negação de serviço a solicitações por taxa de transmissão mais elevada, gerando injustiça no serviço prestado. Como EONs foram desenvolvidas recentemente, respostas às questões acima mencionadas ainda estão sob estudo e soluções continuam sendo propostas na literatura. Além disso, EONs ainda não fornecem funções específicas como um mecanismo que proveja diferenciação de serviço. Estratégias de diferenciação de serviço são importantes em redes backbone para garantir os diversos requisitos dos clientes em caso de uma falha na rede ou do congestionamento e disputa por recursos que podem ocorrer em alguns períodos em uma rede. Impulsionada pelos fatos anteriormente mencionados, esta tese possui três objetivos. Através do desenvolvimento e proposta de um mecanismo de roteamento e atribuição de recursos para EONs, temos a intenção de disponibilizar diferenciação de serviço, diminuir o nível de fragmentação de espectro e aumentar a justiça na distribuição de serviços. O mecanismo proposto nesta tese foi testado em simulações de EONs. Resultados indicaram que o mecanismo proposto promove benefícios através do aprimoramento da performance de uma rede EON quando comparado com algoritmos de referência.

Backbone networks are responsible for long-haul data transport serving many clients with a large volume of data. Since long-haul data transport service must rely on a robust high capacity network the current technology broadly adopted by the industry is Wavelength Division Multiplexing (WDM). WDM networks enable one single ber to operate with multiple high capacity channels, drastically increasing the ber capacity. In WDM networks each channel is associated with an individual wavelength. Therefore a whole wavelength capacity is assigned to a connection, causing waste of bandwidth in case the connection bandwidth requirement is less than the channel total capacity. In the last half decade, Elastic Optical Networks (EON) have been proposed and developed based on the fexible use of the optical spectrum known as the exigrid. EONs are adaptable to clients requirements and may enhance optical networks performance. For these reasons, research community and data transport providers have been demonstrating increasingly high interest in EONs which are likely to replace WDM as the universally adopted technology in backbone networks in the near future. EONs have two characteristics that may limit its ecient resources use. The spectrum fragmentation, inherent to the dynamic EON operation, decrease the network capacity to assign resources to connection requests increasing network blocking probability. The spectrum fragmentation also intensifides the denial of service to higher rate request inducing service unfairness. Due to the fact EONs were just recently developed and proposed, the aforementioned issues were not yet extensively studied and solutions are still being proposed. Furthermore, EONs do not yet provide specific features as differentiated service mechanisms. Differentiated service strategies are important in backbone networks to guarantee client\'s diverse requirements in case of a network failure or the natural congestion and resources contention that may occur at some periods of time in a network. Impelled by the foregoing facts, this thesis objective is three-fold. By means of developing and proposing a mechanism for routing and resources assignment in EONs, we intend to provide differentiated service while decreasing fragmentation level and increasing service fairness. The mechanism proposed and explained in this thesis was tested in a EON simulation environment and performance results indicated that it promotes beneficial performance enhancements when compared to benchmark algorithms. / Redes backbone s~ao responsáveis pelo transporte de dados à longa distância que atendem a uma grande quantidade de clientes com um grande volume de dados. Como redes backbone devem basear-se em uma rede robusta e de alta capacidade, a tecnologia atual amplamente adotada pela indústria é Wavelength Division Multiplexing (WDM). Redes WDM permitem que uma única fibra opere com múltiplos canais de alta largura de banda, aumentando drasticamente a capacidade da fibra. Em redes WDMcada canal está associado a um comprimento de onda particular. Por conseguinte, toda capacidade do comprimento de onda é atribuída a uma única conexão, fazendo com que parte da largura de banda seja desperdiçada no caso em que a requisição de largura de banda da conexão seja menor do que a capacidade total do canal. A partir da metade da última década, as Redes Ópticas Elásticas (Elastic Optical Networks - EON) têm sido propostas e desenvolvidas com base no uso flexível do espectro óptico conhecido como flexigrid. EONs s~ao adaptáveis às requisições por banda dos clientes e podem, portanto, melhorar o desempenho das redes ópticas. Por estas razões, EONs têm recebido cada vez mais interesse dos meios de pesquisa e provedores de serviço e provavelmente substituirão WDM como a tecnologia universalmente adotada pela indústria em redes backbone. EONs têm duas características que podem limitar a utilização eficiente de recursos. A fragmentação do espectro, inerente à operação dinâmica das EONs, pode diminuir a capacidade da rede em distribuir recursos ao atender às solicitações por conexões aumentando a probabilidade de bloqueio na rede. A fragmentação do espectro também intensifica a negação de serviço a solicitações por taxa de transmissão mais elevada, gerando injustiça no serviço prestado. Como EONs foram desenvolvidas recentemente, respostas às questões acima mencionadas ainda estão sob estudo e soluções continuam sendo propostas na literatura. Além disso, EONs ainda não fornecem funções específicas como um mecanismo que proveja diferenciação de serviço. Estratégias de diferenciação de serviço são importantes em redes backbone para garantir os diversos requisitos dos clientes em caso de uma falha na rede ou do congestionamento e disputa por recursos que podem ocorrer em alguns períodos em uma rede. Impulsionada pelos fatos anteriormente mencionados, esta tese possui três objetivos. Através do desenvolvimento e proposta de um mecanismo de roteamento e atribuição de recursos para EONs, temos a intenção de disponibilizar diferenciação de serviço, diminuir o nível de fragmentação de espectro e aumentar a justiça na distribuição de serviços. O mecanismo proposto nesta tese foi testado em simulações de EONs. Resultados indicaram que o mecanismo proposto promove benefícios através do aprimoramento da performance de uma rede EON quando comparado com algoritmos de referência.

A presente tese de doutorado propõe uma arquitetura de cloud broker para ambientes de computação em nuvem híbrida. Um cloud broker tem o objetivo de executar a mediação entre clientes e provedores, recebendo requisições dos clientes e encaminhando-as ao serviço do provedor que melhor se adaptar aos requisitos de qualidade de serviço (QoS) solicitados. A arquitetura de broker de serviços com QoS proposta denomina-se QBroker, características de implementação de seu modo de operação bem como sua interação com os recursos virtuais de um ambiente de nuvem são apresentadas. O modelo de nuvem considerado foi o de nuvem híbrida com uma caracterização de arquitetura orientada a serviços (SOA) na qual serviços remotos são disponibilizados aos clientes. A política de escalonamento de tarefas desenvolvida para o QBroker foi a de intermediação de serviços, considerando tratativas de QoS, diferenciação das instâncias de serviços (SOA) e alocação dinâmica de serviços. Além disso, toda a caracterização do modo de operação do QBroker foi baseada no conceito de intermediação do modelo de referência de nuvem do NIST. O componente QBroker foi introduzido numa arquitetura de computação em nuvem BEQoS (Bursty Energy and Quality of Service), desenvolvida no Laboratório de Sistemas Distribuídos e Programação Concorrente do ICMC-USP de São Carlos. Avaliações de desempenho para a implementação da arquitetura QBroker foram conduzidas por meio de programas de simulação com uso da API do simulador CloudSim e da arquitetura CloudSim-BEQoS. Três cenários experimentais foram avaliados e, segundo a análise de resultados efetuada, foi possível validar que as características arquiteturais implementadas no QBroker resultaram em significativo impacto nas variáveis de resposta consideradas. Assim, foi possível comprovar que o uso do QBroker como mecanismo de mediação em ambientes de nuvem híbrida com SOA promoveu ganhos em desempenho para o sistema de nuvem e permitiu melhoria na qualidade dos serviços oferecidos. / This doctoral thesis proposes a cloud broker architecture for hybrid cloud computing environments. A cloud broker aims to perform mediation between clients and providers, receiving customer requests and forwarding them to the service provider that best suits the requested QoS requirements. The broker architecture services with QoS proposal is called QBroker. Implementation features of its mode of operation as well as its interaction with the virtual resources from a cloud environment are presented. The cloud deployment model was considered a hybrid cloud with a characterization of service-oriented architecture (SOA) in which remote services are available to customers. The task scheduling policy developed for QBroker was the intermediation of services, considering negotiations of QoS, differentiation of services instances and dynamic allocation of services. Moreover, the entire characterization of QBroker operation mode is based on the intermediation concept of the NIST cloud reference model. The QBroker component was introduced into a cloud computing architecture BEQoS (Bursty, Energy and Quality of Service), developed in the Laboratory of Distributed Systems and Concurrent Programming at ICMC-USP. Performance evaluations analysis the of results of QBroker architecture were conducted through simulation programs using the CloudSim simulator API and CloudSim-BEQoS architecture. Three experimental scenarios were evaluated and, according to analysis of the results, it was possible to validate that the architectural features implemented in QBroker resulted in significant impact on response variables considered. Thus, it was possible to prove that the use of QBroker as mediation mechanism in hybrid cloud environments with SOA promoted performance gains for the cloud system and allowed improvement in the quality of services offered.

A presente tese de doutorado propõe uma arquitetura de cloud broker para ambientes de computação em nuvem híbrida. Um cloud broker tem o objetivo de executar a mediação entre clientes e provedores, recebendo requisições dos clientes e encaminhando-as ao serviço do provedor que melhor se adaptar aos requisitos de qualidade de serviço (QoS) solicitados. A arquitetura de broker de serviços com QoS proposta denomina-se QBroker, características de implementação de seu modo de operação bem como sua interação com os recursos virtuais de um ambiente de nuvem são apresentadas. O modelo de nuvem considerado foi o de nuvem híbrida com uma caracterização de arquitetura orientada a serviços (SOA) na qual serviços remotos são disponibilizados aos clientes. A política de escalonamento de tarefas desenvolvida para o QBroker foi a de intermediação de serviços, considerando tratativas de QoS, diferenciação das instâncias de serviços (SOA) e alocação dinâmica de serviços. Além disso, toda a caracterização do modo de operação do QBroker foi baseada no conceito de intermediação do modelo de referência de nuvem do NIST. O componente QBroker foi introduzido numa arquitetura de computação em nuvem BEQoS (Bursty Energy and Quality of Service), desenvolvida no Laboratório de Sistemas Distribuídos e Programação Concorrente do ICMC-USP de São Carlos. Avaliações de desempenho para a implementação da arquitetura QBroker foram conduzidas por meio de programas de simulação com uso da API do simulador CloudSim e da arquitetura CloudSim-BEQoS. Três cenários experimentais foram avaliados e, segundo a análise de resultados efetuada, foi possível validar que as características arquiteturais implementadas no QBroker resultaram em significativo impacto nas variáveis de resposta consideradas. Assim, foi possível comprovar que o uso do QBroker como mecanismo de mediação em ambientes de nuvem híbrida com SOA promoveu ganhos em desempenho para o sistema de nuvem e permitiu melhoria na qualidade dos serviços oferecidos. / This doctoral thesis proposes a cloud broker architecture for hybrid cloud computing environments. A cloud broker aims to perform mediation between clients and providers, receiving customer requests and forwarding them to the service provider that best suits the requested QoS requirements. The broker architecture services with QoS proposal is called QBroker. Implementation features of its mode of operation as well as its interaction with the virtual resources from a cloud environment are presented. The cloud deployment model was considered a hybrid cloud with a characterization of service-oriented architecture (SOA) in which remote services are available to customers. The task scheduling policy developed for QBroker was the intermediation of services, considering negotiations of QoS, differentiation of services instances and dynamic allocation of services. Moreover, the entire characterization of QBroker operation mode is based on the intermediation concept of the NIST cloud reference model. The QBroker component was introduced into a cloud computing architecture BEQoS (Bursty, Energy and Quality of Service), developed in the Laboratory of Distributed Systems and Concurrent Programming at ICMC-USP. Performance evaluations analysis the of results of QBroker architecture were conducted through simulation programs using the CloudSim simulator API and CloudSim-BEQoS architecture. Three experimental scenarios were evaluated and, according to analysis of the results, it was possible to validate that the architectural features implemented in QBroker resulted in significant impact on response variables considered. Thus, it was possible to prove that the use of QBroker as mediation mechanism in hybrid cloud environments with SOA promoted performance gains for the cloud system and allowed improvement in the quality of services offered.