Avec la croissance exponentielle des demandes de service, les opérateurs ont déployé de nombreux équipements, et par conséquent, la gestion du réseau est devenue de plus en plus difficile et coûteuse. La virtualisation des fonctions réseau (NFV) a été proposée comme un nouveau paradigme pour réduire les coûts liés à l’acquisition et à la maintenance pour les réseaux de télécommunications. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons aux problèmes du chaînage des fonctions virtuelles (VNFs) qui combinent des décisions de localisation des VNFs et de routage des demandes. D'un point de vue d'optimisation, ce problème est une combinaison des problèmes de localisation (pour la partie d'installation des VNFs) et de conception de réseaux (pour la partie de routage). Ces deux problèmes ont été largement étudié dans la littérature. Cependant, leur combinaison représente des divers challenges en termes de modélisation et de résolution. Dans la première partie de cette thèse, nous considérons une version réaliste du problème du chaînage des VNFs (VNF-PR) afin de comprendre l'impact des différents aspects sur les coûts et les performances de gestion du réseau. Dans ce but, nous étendons le travail dans~\cite{Addis2015} en considérant des caractéristiques et des contraintes plus réalistes des infrastructures NFV et nous proposons un modèle de programmation linéaire et une heuristique mathématique pour le résoudre. Dans le but de mieux comprendre la structure du problème et ses propriétés, la deuxième partie de la thèse est orientée vers l'étude théorique du problème, où nous avons étudié une version compacte du problème du chaînage des VNFs. Nous fournissons des résultats sur la complexité de calcul sous divers cas de topologie et de capacité. Ensuite, nous proposons deux modèles et nous les testons sur un testbed avec plus de 100 instances différentes avec différents cas de capacité. Au final, nous abordons la scalabilité du problème en proposant des méthodes constructives et des méthodes heuristiques basées sur la programmation linéaire entière pour traiter efficacement des instances de taille grande (jusqu'à 60 nœuds et 1800 demandes). Nous montrons que les heuristiques proposées sont capables de résoudre efficacement des instances de taille moyenne (avec jusqu'à 30 nœuds et 1 000 demandes) de cas de capacité difficiles et de trouver de bonnes solutions pour les instances dures, où le modèle ne peut fournir aucune solution avec un temps de calcul limité. / Due to the exponential growth of service demands, telecommunication networks are populated with a large and increasing variety of proprietary hardware appliances, and this leads to an increase in the cost and the complexity of the network management. To overcome this issue, the NFV paradigm is proposed, which allows dynamically allocating the Virtual Network Functions (VNFs) and therefore obtaining flexible network services provision, thus reducing the capital and operating costs. In this thesis, we focus on the VNF Placement and Routing (VNF-PR) problem, which aims to find the location of the VNFs to allocate optimally resources to serve the demands. From an optimization point of view, the problem can be modeled as the combination of a facility location problem (for the VNF location and server dimensioning) and a network design problem (for the demands routing). Both problems are widely studied in the literature, but their combination represents, to the best of our knowledge, a new challenge. We start working on a realistic VNF-PR problem to understand the impact of different policies on the overall network management cost and performance. To this end, we extend the work in [1] by considering more realistic features and constraints of NFV infrastructures and we propose a linear programming model and a math-heuristic to solve it. In order to better understand the problem structure and its properties, in the second part of our work, we focus on the theoretical study of the problem by extracting a simplified, yet significant variant. We provide results on the computational complexity under different graph topology and capacity cases. Then, we propose two mathematical programming formulations and we test them on a common testbed with more than 100 different test instances under different capacity settings. Finally, we address the scalability issue by proposing ILP-based constructive methods and heuristics to efficiently deal with large size instances (with up to 60 nodes and 1800 demands). We show that our proposed heuristics can efficiently solve medium size instances (with up to 30 nodes and 1000 demands) of challenging capacity cases and provide feasible solutions for large size instances of the most difficult capacity cases, for which the models cannot find any solution even with a significant computational time.

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Virtualization on top of high-performance servers has enabled the virtualization of network functions like caching, deep packet inspection, etc. Such Network Function Virtualization (NFV) is used to dynamically adapt to changes in network traffic and application popularity. We demonstrate how the combination of Software Defined Networking (SDN) and NFV can support the parallel operation of different Internet architectures on top of the same physical hardware. We introduce our architecture for this approach in an actual test setup, using CloudLab resources. We start of our evaluation in a small setup where we evaluate the feasibility of the SDN and NFV architecture and incrementally increase the complexity of the setup to run a live video streaming application. We use two vastly different protocol stacks, namely TCP/IP and NDN to demonstrate the capability of our approach. The evaluation of our approach shows that it introduces a new level of flexibility when it comes to operation of different Internet architectures on top of the same physical network and with this flexibility provides the ability to switch between the two protocol stacks depending on the application.

[ES] La complejidad en la gestión de las redes de comunicación tradicionales, así como su poca escalabilidad y flexibilidad, supone un obstáculo para el desarrollo y consolidación de nuevas tecnologías emergentes como es el caso del Internet de las Cosas (Internet of Things), dónde la facilidad para el intercambio y manejo de grandes volúmenes de datos heterogéneos procedentes de sensores es un requisito clave para el correcto funcionamiento del sistema. El Internet de las Cosas se define cómo la interconexión digital de objetos cotidianos dotados de inteligencia (Smart devices) a través de redes de comunicación de datos ya sean públicas (Internet) o privadas. Sin embargo, el Internet de las Cosas no sólo está compuesto por estos dispositivos, toda la infraestructura, plataformas, aplicaciones y servicios que ayudan a los datos a viajar desde los dispositivos origen y hacia sus diferentes destinos, y la gestión de estos también forman parte del denominado Internet de las Cosas. El almacenamiento, análisis, procesado y gestión masiva de dichos datos es lo que se denomina Big Data, y está compuesto de grandes cantidades de datos (massive data) estructurados en diferentes formatos, modelos de datos y protocolos, lo que dificulta su tratamiento y su intercambio a través de las redes de datos convencionales. Ante esta problemática la implementación de redes virtuales definidas por software se presenta como una posible solución para dotar de flexibilidad, escalabilidad y sencillez de gestión a las redes que interconectan estos dispositivos, plataformas y otros elementos IoT, permitiendo una visión global, una gestión centralizada y un desarrollo de servicios a nivel de red específicos para los entornos de Internet de las Cosas. Este proyecto se presenta como una aproximación de estas dos tecnologías y tendrá como objetivo el diseño de una solución donde probar las herramientas de control de redes definidas por software o programables (SDN) y las funciones virtuales de redes (NFV) aplicadas a despliegues de Internet de las Cosas (IoT) de forma que se puedan demostrar sus ventajas e implicaciones y se puedan descubrir nuevas líneas de desarrollo sobre esta base. / [CA] La complexitat en la gestió de les xarxes de comunicació tradicionals, així com la seua poca escalabilitat i flexibilitat, suposa un obstacle per al desenvolupament i consolidació de noves tecnologies emergents com és el cas de la Internet de les Coses (Internet of Things), on la facilitat per a l'intercanvi i maneig de grans volums de dades heterogènies procedents de sensors és un requisit clau per al correcte funcionament del sistema. La Internet de les Coses es defineix com la interconnexió digital d'objectes quotidians dotats d'intel·ligència (Smart devices) a través de xarxes de comunicació de dades ja siguen públiques (Internet) o privades. No obstant això, la Internet de les Coses no sols està compost per aquests dispositius, tota la infraestructura, plataformes, aplicacions i serveis que ajuden les dades a viatjar des dels dispositius d'origen i cap a les seues diferents destinacions, i la gestió d'aquests també formen part de la denominada Internet de les Coses. L'emmagatzematge, anàlisi, processament i gestió massiva d'aquestes dades és el que es denomina Big Data, i està compost de grans quantitats de dades (massive data) estructurats en diferents formats, models de dades i protocols, la qual cosa dificulta el seu tractament i el seu intercanvi a través de les xarxes de dades convencionals. Davant aquesta problemàtica la implementació de xarxes virtuals definides per software es presenta com una possible solució per a dotar de flexibilitat, escalabilitat i senzillesa de gestió a les xarxes que interconnecten aquests dispositius, plataformes i altres elements IoT, permetent una visió global, una gestió centralitzada i un desenvolupament de serveis a nivell de xarxa específics per als entorns d'Internet de les Coses. Aquest projecte es presenta com una aproximació d'aquestes dues tecnologies i tindrà com a objectiu el disseny d'una solució on provar les eines de control de xarxes definides per software o programables (SDN) i les funcions virtuals de xarxes (NFV) aplicades a desplegaments d'Internet de les Coses (IoT) de manera que es puguen demostrar els seus avantatges i implicacions, i es puguen descobrir noves línies de desenvolupament sobre aquesta base. / [EN] Nowadays, the complexity of traditional network administration, together with the lack of scalability and flexibility, has been a challenge for the proper development and integration of new emerging technologies which make use of this network. As an example, we have the so-called Internet of Things (IoT). The principal IoT network requirement that enables the growth of this paradigm is the need to facilitate high data volume exchange and administration, from very heterogeneous sources. The IoT concept is defined as the digital interconnection of daily objects endowed with more "intelligence" (Smart devices) through a data communication network either public (Internet) or private. However, this technological trend does not only depend on the "smart devices", but on the whole infrastructure, platforms, frameworks, services, and applications that helps data to travel from the source devices to their different destinations. Also, the handling of the massive volumes of data extracted from those smart devices, their storage, processing, and analysis, known as Big Data, is a key part of this paradigm. This data is gathered from very different sources, and hence, it has diverse data structures and formats. Moreover, it is exchanged using various network protocols (LoRa, CoAp, etc.) which hinder its management and communication through conventional networks, that were not created for such data traffic. Given this problem, several technological approaches have emerged to solve it. Virtual software-defined networking is presented as a possible solution to provide flexibility, scalability, and simplicity of management to the networks that interconnect these devices, platforms, services, and other IoT elements. The virtualization of the network infrastructure, includes an extra layer of abstraction, thus providing a holistic vision of the network and centralizing the administration of its elements and the development of specific network services for IoT deployments. This project is presented as an approximation of these two technological paradigms and will have as the main objective the design of an architectural blueprint and testbed were testing the control tools of software-defined networks (SDN) and the virtualized network functions (NFV) applied to IoT deployments. Thereby, its advantages and implications can be evaluated, and new lines of development can be discovered on this base. / Suárez De Puga García, J. (2022). Especificación e implementación de un sistema de red definida por software con funciones virtuales adaptadas a despliegues de Internet de las cosas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181555 / TESIS