A virtualização de redes é uma solução proposta para superar a chamada ossificação da Internet pois permite o desenvolvimento de novas arquiteturas de rede de forma flexível e controlada. Com a virtualização de redes, é possível criar múltiplas redes virtuais operando simultaneamente em uma infraestrutura física compartilhada. No entanto, o gerenciamento de redes com suporte a virtualização apresenta desafios que precisam ser resolvidos para obter um ambiente de rede confiável e funcional. Um dos principais aspectos relacionados ao gerenciamento de ambientes de virtualização de redes diz respeito ao aprovisionamento de redes virtuais. O aprovisionamento de redes virtuais define como os recursos de rede virtuais (nós e enlaces) são alocados na infraestrutura física. O aprovisionamento de redes virtuais é comumente baseado em algoritmos de mapeamento que possuem objetivos bem definidos como reduzir o custo de alocação, realizar balanceamento de carga ou minimizar o consumo de energia. Embora redes virtuais compartilhem a mesma infraestrutura, elas tipicamente são utilizadas para hospedar várias aplicações que possuem diferentes objetivos. Infelizmente, as soluções de aprovisionamento atuais focam em um único ou em um conjunto muito limitado de objetivos que podem não ser capazes de satisfazer os requisitos de um número cada vez mais crescente de aplicações. Novas aplicações podem exigir objetivos diferentes dos que são suportados pelo sistema de aprovisionamento que está em operação em uma infraestrutura de virtualização de redes. Nesta tese, o problema de Aprovisionamento de Redes Virtuais Orientado à Aplicação é formulado e um arcabouço de aprovisionamento adaptativo para redes virtualizadas que considera as caracteristicas de várias aplicações bem como seus requisitos de desempenho é proposto. O arcabouço proposto é baseado no conceito de paradigma de alocação, que é um conjunto de políticas de aprovisionamento que guiam o processo de alocação de recursos. Um paradigma traduz objetivos de Provedores de Infraestrutura e Provedores de Serviço para ações de alocação individuais que criam as redes virtuais. Uma linguagem de políticas para paradigmas é também definida para expressar o relacionamento entre paradigmas, objetivos e ações. Para determinar a eficiência de um paradigma de alocação, é proposto um modelo para quantificar o desempenho de redes virtuais que é baseado em dados coletados de sistemas de benchmarking aplicados no contexto de ambientes virtualizados. O modelo proposto é capaz de calcular o desempenho das redes virtuais alocadas e influenciar mudanças em paradigmas de alocação. Simulações foram conduzidas para verificar a viabilidade da solução proposta e comparar diferentes paradigmas de alocação. Resultados mostram que o uso de paradigmas de alocação pode ajudar administradores de ambientes de virtualização de redes a escolher a melhor estratégia de alocação dado um conjunto de objetivos definidos pelos Provedores de Infraestrutura e pelos Provedores de Serviço. / Network virtualization is a feasible solution to tackle the so-called Internet ossification by enabling the deployment of novel network architectures in a flexible and controlled way. With network virtualization, it is possible to have multiple virtual networks (VNs) running simultaneously on top of a shared physical infrastructure. Network management with virtualization support, however, poses challenges that need to be addressed in order to fully achieve an effective and reliable networking environment. One of the main aspects related to the management of network virtualization environments is virtual network provisioning. Virtual network provisioning defines how virtual network resources (nodes and links) are allocated in the physical infrastructure. VN provisioning often relies on embedding algorithms that aim to achieve well defined objectives, such as reducing allocation cost, load balancing, or minimizing energy consumption. Although VNs share the same infrastructure, they typically host diverse applications with different goals. Unfortunately, current provisioning solutions focus on a single or a limited set of objectives that may not simultaneously match the requirements of an increasing number of applications deployed in networks everyday. Novel applications may require different objectives that are not supported by the active provisioning system. In this thesis, we formulate the Application-Aware Virtual Network Provisioning Problem (AVNP) and propose an adaptive provisioning framework for virtualized networks that takes into consideration the characteristics of multiple applications and their distinct performance objectives. The proposed framework is based on the concept of allocation paradigm, which is defined as a set of provisioning policies that guide the resource allocation process. A paradigm translates objectives from both Infrastructure Providers (InPs) and Service Providers (SPs) to individual allocation actions that actually provision VNs. A policy language is also defined to express the relationship between paradigms, objectives, and actions. To determine the efficiency of a particular paradigm, we propose a virtual network performance computation model based on data measured from existing virtualization benchmarks. The model is able to quantify the performance of allocated VNs and guide paradigm changing decisions. Extensive simulations were performed to verify the viability of the proposed solution and compare different paradigms. Results show the feasibility of allocation paradigms in helping network providers to select the best provisioning strategy given a set of InP/SP objectives.

Orientador: Nelson Luis Saldanha da Fonseca / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-25T09:43:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RodriguezBrljevich_Esteban_M.pdf: 2281259 bytes, checksum: 12557ac80a34c2bff2547f1f2aff1eaa (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A virtualização de redes é uma tecnologia promissora para a Internet do futuro, já que facilita a implementação de novos protocolos e aplicações sem a necessidade de alterar o núcleo da rede. Um passo chave para instanciar redes virtuais é a alocação de recursos físicos para elementos virtuais (roteadores e enlaces). A fim de contribuir para o esforço global de poupança de energia, a escolha de recursos físicos para instanciar uma rede virtual deveria minimizar o consumo de energia rede. No entanto, esta não é uma tarefa trivial, já que requerimentos de QoS devem ser atingidos. A busca da solução ótima deste problema é NP-difícil. O mapeamento de redes virtuais em substratos de rede físicos em cenários de alocaç?o e desalocaç?o de redes virtuais pode não levar a um consumo mínimo de energia devido à dinâmica das atribuições dos elementos virtuais previamente alocados. Tal dinâmica pode levar à subutilização da rede substrato. Para reduzir os efeitos negativos desta dinâmica, técnicas tais como a migração de redes virtuais em tempo real podem ser empregadas para rearranjar as redes virtuais previamente mapeadas para poupar energia. Esta dissertação apresenta um conjunto de novos algoritmos para o mapeamento de redes virtuais em substratos de rede com o objetivo de reduzir o consumo de energia. Além disso, dois novos algoritmos são propostos para a migração dos roteadores e enlaces virtuais para reduzir o número de roteadores e amplificadores ópticos requeridos. Os resultados obtidos por simulação mostram a eficácia dos algoritmos propostos / Abstract: Network virtualization is a promising technology for the Internet of the Future since it facilitates the deployment of new protocols and applications without the need of changing the core of the network. A key step to instantiate virtual networks is the allocation of physical resources to virtual elements (routers and links). In order to contribute to the global effort of saving energy, choice of physical resources to instantiate a virtual network needs to minimize the network energy consumption. However, this is not a trivial task, since the QoS of the application requirements has to be supported. Indeed, the search for the optimal solution of this problem is NP-hard. The mapping of virtual networks on network substrates at the arrival time of requests to the establishment of virtual networks may not lead to a global minimum energy consumption of energy due to the dynamic allocations and deallocations of virtual networks. Actually, such dynamics can lead to the underutilization of the network substrate. To mitigate the negative effect of this dynamics, techniques such as live migration can be employed to rearrange already mapped virtual networks to achieve energy savings. This dissertation presents a set of new algorithms for the mapping of virtual networks on network substrates aiming to reduce energy consumption. Additionally, two new algorithms are proposed for the migration of virtual routers and links to reduce the number of powered routers and optical amplifiers. Results derived by simulation show the efficacy of the proposed algorithms / Mestrado / Ciência da Computação / Mestre em Ciência da Computação

Orientador: Nelson Luis Saldanha da Fonseca / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-21T15:43:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alkmim_GustavoPrado_M.pdf: 588888 bytes, checksum: 595d027838b31a65d91822b3b1ce04e6 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A virtualização de redes é uma tecnologia promissora para ser utilizada como base na Internet do futuro, pois permite a introdução de novas funcionalidades nos elementos da rede a baixo custo. Uma das questões em virtualização de redes é como realizar o mapeamento eficiente de redes virtuais em substratos de redes, que é um problema de mapeamento é NP-Difícil. As soluções existentes na literatura ignoram várias características essenciais para ambientes reais a fim de que o problema possa ser resolvido em um intervalo de tempo razoável. Na presente dissertação, propõem-se oito algoritmos baseados em programação linear inteira 0-1 para resolver o problema de mapeamento que consideram diversas características realistas que não são incluídas em outras modelagens existentes. Seis dos algoritmos minimizam a largura de banda alocada e dois dos algoritmos minimizam o consumo de energia no substrato. Os algoritmos aproximativos propostos são capazes de determinar o mapeamento de redes virtuais em substratos de grande porte em poucos segundos e de encontrar soluções com qualidade, o que possibilita a adoção dos mesmos em mecanismos de controle de admissão em tempo real / Abstract: Network virtualization is a promising technology to be employed in the future Internet, since it allows the introduction of new functionalities in network elements at low cost. One of the open questions in network virtualization is how to perform an efficient mapping of virtual networks in the substrate, which is NP-Hard problem. Existing solutions in the literature ignore several characteristics of real-world environments in order to solve the problem in a reasonable time frame. This paper introduces eight algorithms to solve the mapping problem that are based on 0-1 integer linear programming. One of the main contribution is the consideration of realistic assumptions to the problem that are not considered by others in the literature. Six algorithms minimize the allocated bandwidth and the two others minimize the power consumption in the substrate. The proposed approximative algorithms can map virtual networks in large substrates in few seconds and they find accurate solutions, which make them adequate to be employed in real-time admission control / Mestrado / Ciência da Computação / Mestre em Ciência da Computação

As the "network of network", the Internet has been playing a central and crucial role in modern society, culture, knowledge, businesses and so on in a period of over two decades by supporting a wide variety of network technologies and applications. However, due to its popularity and multi-provider nature, the future development of the Internet is limited to simple incremental updates. To address this challenge, network virtualization has been propounded as a potential candidate to provide the essential basis for the future Internet architecture. Network virtualization is capable of providing an open and flexible networking environment in which service providers are allowed to dynamically compose multiple coexisting heterogeneous virtual networks on a shared substrate network. Such a flexible environment will foster the deployment of diversified services and applications. A major challenge in network virtualization area is the Virtual Network Embedding (VNE), which aims to statically or dynamically allocate virtual nodes and virtual links on substrate resources, physical nodes and paths. Making effective use of substrate resources requires high-efficient and survivable VNE techniques. The main contribution of this thesis is two high-performance p-Cycle-based survivable virtual network embedding approaches. These approaches take advantage of p-Cycle-based protection techniques that minimize the backup resources while providing a full VN protection scheme against link and node failures.

The current Internet architecture presents a barrier to accommodate the vigorous arising demand for deploying new network services and applications. The next-generation architecture views the network virtualization as the gateway to overcome this limitation. Network virtualization promises to run efficiently and securely multiple dedicated virtual networks (VNs) over a shared physical infrastructure. Each VN is tailored to host a unique application based on the user’s preferences. This thesis addresses the problem of the efficient embedding of multiple VNs onto a shared substrate network (SN). The contribution of this thesis are twofold: First, a novel hierarchical SN management framework is proposed that efficiently selects the optimum VN mapping scheme for the requested VN from more than one proposed VN mapping candidates obtained in parallel. In order to accommodate the arbitrary architecture of the VNs, the proposed scheme divides the VN request into smaller subgraphs, and individually maps them on the SN using a variation of the exact subgraph matching techniques. Second, the physical resources pricing policy is introduced that is based on time-ofuse, that reflects the effect of resource congestion introduced by VN users. The preferences of the VN users are first represented through corresponding demand-utility functions that quantify the sensitivity of the applications hosted by the VNs to resource consumption and time-of-use. A novel model of time-varying VNs is presented, where users are allowed to up- or down-scale the requested resources to continuously maximize their utility while minimizing the VNs embedding cost. In contrast to existing solutions, the proposed work does not impose any limitations on the size or topology of the VN requests. Instead, the search is customized according to the VN size and the associated utility. Extensive simulations are then conducted to demonstrate the improvement achieved through the proposed work in terms of network utilization, the ratio of accepted VN requests and the SP profits.

A virtualização de redes é um mecanismo que permite a coexistência de múltiplas redes virtuais sobre um mesmo substrato físico. Um dos desafios de pesquisa abordados na literatura é o mapeamento eficiente de recursos virtuais em infraestruturas físicas. Embora o referido desafio tenha recebido considerável atenção, as abordagens que constituem o estado-da-arte apresentam alta taxa de rejeição, i.e., a proporção de solicitações de redes virtuais negadas em relação ao total de solicitações efetuadas ao substrato é elevada. Nesta dissertação, caracteriza-se, inicialmente, a relação entre a qualidade dos mapeamentos de redes virtuais e as estruturas topológicas dos substratos subjacentes. Avalia-se as soluções exatas de um modelo de mapeamento online sob diferentes classes de topologias de rede. A partir do entendimento dos fatores topológicos que influenciam diretamente o processo de mapeamento de redes virtuais, propõe-se uma estratégia para planejar a expansão de redes de provedores de infraestrutura de forma a reduzir consistentemente a taxa de rejeição de requisições de redes virtuais e melhor aproveitar os recursos ociosos da mesma. Os resultados obtidos evidenciam que grande parte das rejeições de redes virtuais ocorre em situações em que há grande disponibilidade de recursos, mas alguns poucos já saturados acabam inviabilizando, em função de características de conectividade do substrato, o atendimento de novas requisições. Ademais, os resultados obtidos utilizando a estratégia proposta evidenciam que o fortalecimento de partes-chave da infraestrutura levam a uma ocupação muito mais satisfatória. Uma expansão de 10% a 20% dos recursos da infraestrutura contribui para um aumento sustentado de até 30% no número de redes virtuais aceitas e de até 45% no aproveitamento dos recursos em comparação com a rede original. / Network virtualization is a mechanism that allows the coexistence of multiple virtual networks on top of a single physical substrate. One of the research challenges addressed recently in the literature is the efficient mapping of virtual resources on physical infrastructures. Although this challenge has received considerable attention, state-of-the-art approaches present, in general, a high rejection rate, i.e., the ratio between the number of denied virtual network requests and the total amount of requests is considerably high. In this thesis, we characterize the relationship between the quality of virtual network mappings and the topological structures of the underlying substrates. Exact solutions of an online embedding model are evaluated under different classes of network topologies. From the understanding of the topological factors that directly influence the virtual network embedding process, we propose an expansion strategy of physical infrastructure in order to suggest adjustments that lead to higher virtual network acceptance and, in consequence, to improved physical resource utilization. The obtained results demonstrate that most of rejections occur in situations in which a significant amount of resource is available, but a few saturated devices and links, depending on connectivity features of the physical substrate, hinder the acceptance of new requests. Moreover, the obtained results using the proposed strategy evidence that an expansion of 10% to 20% of the infrastructure resources leads to a sustained increase of up to 30% in the number of accepted virtual networks and of up to 45% in resource usage compared to the original network.

Orientador: Edmundo Roberto Mauro Madeira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-22T03:57:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SoaresJunior_MiltonAparecido_M.pdf: 2099044 bytes, checksum: 9429a525b941834e987d70cb3b26c2fc (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Apesar do seu sucesso, a arquitetura atual da Internet _e uma fonte de vários problemas para as aplicações atuais e as demandas futuras. A virtualização da infraestrutura da rede é proposta como alternativa para solucionar esses problemas sem a necessidade de alterar o núcleo da Internet, pois ela habilita o pluralismo de arquiteturas de rede. Neste trabalho, foi desenvolvida uma arquitetura de gerência autonômica de redes virtuais baseada em sistemas multiagentes. Um protótipo que realiza a função de autocura de redes virtuais foi implementado a partir dessa arquitetura. Novos algoritmos e mecanismos foram desenvolvidos para melhorar a eficiência do protótipo. Foi realizado, também, um estudo de caso sobre a gerência de redes virtuais que leva em consideração os requisitos das aplicações que estão sendo executadas em uma nuvem. Uma plataforma de experimentação baseada em máquinas virtuais e no OpenFlow foi criada para a execução dos experimentos. Tanto o protótipo quanto a plataforma de experimentação integram ferramentas atuais criando uma única solução para a gerência de redes virtuais. Os resultados apresentados contribuem para aproximar a virtualização de redes e a gerência autonômica da realidade / Abstract: Despite its success, the current architecture of the Internet is a source of many problems for current applications and future demands. The virtualization of network infrastructure is proposed as an alternative to solve these problems without the need to change the core of the Internet, as it enables the network architecture pluralism. We have developed architecture for autonomic management of virtual networks based on multi-agent systems. Based on this architecture, we implemented a prototype that performs the function of self-healing virtual networks. New algorithms and mechanisms have been developed to improve the efficiency of the prototype. A case study on the management of virtual networks that takes into consideration the requirements of the applications that are running on a cloud is also presented. For the execution of the experiments was created an experimentation platform based on virtual machines and on OpenFlow. The prototype and the platform integrate current tools creating a single solution for management of virtual networks. The results contributed to bring network virtualization and autonomic management closer to reality / Mestrado / Ciência da Computação / Mestre em Ciência da Computação

Orientador: Christian Rodolfo Esteve Rothenberg / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-27T08:39:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Siqueira_MarcosAntoniode_D.pdf: 7263131 bytes, checksum: fad0f39a012c338503de664fbec8fe8c (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Esta tese apresenta uma proposta de arquitetura para controle de redes ópticas de transporte que utiliza o paradigma de redes definidas por software, com suporte a operação autonômica com base em políticas. A arquitetura é constituída pelos seguintes pilares: (i) modelagem dos elementos de rede, incluindo suas interconexões, restrições, capacidades, entre outros, utilizando a linguagem YANG; (ii) composição dos modelos dos elementos de rede e suas relações em um modelo que representa a rede, suportando transformações para representação da rede como grafos de propriedades; e (iii) um modelo de políticas baseado em objetos associados ao grafo de propriedades da rede que viabiliza a operação autonômica do controlador. A proposta foi validada através de provas de conceito realizadas por simulações, protótipos e experimentos, incluindo casos de uso de segmentação e virtualização da rede óptica de transporte, aplicações SDN para ajuste de parâmetros operacionais da rede com base em políticas, bem como a operação autônoma do controlador SDN com auxílio de ferramentas de simulação com rotinas de planejamento automatizado / Abstract: This thesis proposes an architecture for optical transport networks control, using the software defined networking paradigm, with support for policy-based autonomic operation. The architecture is composed of three pillars: (i) modeling of network elements, its interconnections, constraints and capabilities using the YANG language; (ii) composition of the network element models and its interconnections forming a network model, supporting transformations for representing the network as property graphs; and (iii) a policy model based on objects associated to the network graph designed for allowing autonomic operation of the network controller. The proposal has been validated through a set of proofs of concept performed via simulations, prototypes and experiments, including use cases for optical transport network slicing and virtualization, SDN applications for policy-based operational parameters adjustment, and autonomic operation of the SDN controller assisted by simulation tools with routines for automated planning / Doutorado / Engenharia de Computação / Doutor em Engenharia Elétrica

Network virtualization is a technology that enables multiple virtual instances to coexist on a common physical network infrastructure. This paradigm fostered new business models, allowing infrastructure providers to lease or share their physical resources. Each virtual network is isolated and can be customized to support a new class of customers and applications. To this end, infrastructure providers need to embed virtual networks on their infrastructure. The virtual network embedding is the (NP-hard) problem of matching constrained virtual networks onto a physical network. Heuristics to solve the embedding problem have exploited several policies under different settings. For example, centralized solutions have been devised for small enterprise physical networks, while distributed solutions have been proposed over larger federated wide-area networks. In this thesis we present a policy-based architecture for the virtual network embedding problem. By policy, we mean a variant aspect of any of the three (invariant) embedding mechanisms: physical resource discovery, virtual network mapping, and allocation on the physical infrastructure. Our architecture adapts to different scenarios by instantiating appropriate policies, and has bounds on embedding efficiency, and on convergence embedding time, over a single provider, or across multiple federated providers. The performance of representative novel and existing policy configurations are compared via extensive simulations, and over a prototype implementation. We also present an object model as a foundation for a protocol specification, and we release a testbed to enable users to test their own embedding policies, and to run applications within their virtual networks. The testbed uses a Linux system architecture to reserve virtual node and link capacities.

With the advent of virtualization and artificial intelligence, research on networked systems has progressed substantially. As the technology progresses, we expect a boom in not only the systems research but also in the network of systems domain. It is paramount that we understand and develop methodologies to connect and communicate among the plethora of devices and systems that exist today. One such area is mobile ad-hoc and space communication, which further complicates the task of networking due to myriad of environmental and physical conditions. Developing and testing such systems is an important step considering the large investment required to build such gigantic communication arrangements. We address two important aspects of network emulation in this work. We propose a network emulation framework, which emulates the functioning of a hierarchical software defined network. One such use-case is described using a mobile ad-hoc network (MANET) topology within a single system by leveraging contemporary network virtualization technologies. We present various aspects of the network, such as the dynamic communication in the software domain and provide a novel approach to build upon existing emulation techniques. The second part of the thesis presents a dynamic network link emulator. This emulator enables suitable link property re-configurations such as bandwidth, delay and packet loss for networked systems using simulation software. We characterize the results of tests for the link emulation using a hardware and software testbed. Through this thesis, we aim to make a small yet crucial contribution to the niche area of software defined networks.