O projeto de mecanismos flexíveis e eficientes para o posicionamento e encadeamento de funções virtualizadas de rede (VNFs) é essencial para o sucesso de Virtualização de Funções de Rede (Network Function Virtualization, NFV). A maioria das soluções existentes, no entanto, considera custos fixos (e imutáveis) de processamento de fluxos e de largura de banda ao posicionar as VNFs em Pontos de Presença da Rede (N-PoPs). Essa limitação torna-se crítica em redes NFV com fluxos cujos comportamentos são altamente dinâmicos e nas quais os requisitos de processamento e os recursos disponíveis nos NPoPs mudam constantemente. Para preencher essa lacuna, propõe-se o NFV-PEAR, uma plataforma para o posicionamento e encadeamento adaptativo de VNFs. O NFV-PEAR visa (re)organizar periodicamente os posicionamentos e encadeamentos de VNFs previamente determinados, objetivando-se manter um desempenho fim-a-fim aceitável mesmo durante flutuações nos custos de processamento e nos requisitos dos fluxos. Paralelamente, busca-se minimizar as mudanças na rede (por exemplo, a realocação de VNFs ou de fluxos) realizadas para cumprir esse objetivo. Os resultados obtidos, a partir de uma avaliação experimental, mostram que o NFV-PEAR tem potencial para reduzir significativamente o número de mudanças na rede necessárias para assegurar o desempenho fim-a-fim esperado para os fluxos, garantindo assim o funcionamento estável dos serviços. / The design of flexible and efficient mechanisms for proper placement and chaining of virtual network functions (VNFs) is key for the success of Network Function Virtualization (NFV). Most state-of-the-art solutions, however, consider fixed (and immutable) flow processing and bandwidth requirements when placing VNFs in the Network Points of Presence (N-PoPs). This limitation becomes critical in NFV-enabled networks having highly dynamic flow behavior, and in which flow processing requirements and available N-PoP resources change constantly. To bridge this gap, we present NFV-PEAR, a platform for adaptive VNF placement and chaining. In NFV-PEAR, network operators may periodically (re)arrange previously determined placement and chaining of VNFs, with the goal of maintaining acceptable end-to-end flow performance despite fluctuations of flow processing costs and requirements. In parallel, NFV-PEAR seeks to minimize network changes (e.g., reallocation of VNFs or network flows). The results obtained from an experimental evaluation provide evidence that NFV-PEAR has potential to deliver more stable operation of network services, while significantly reducing the number of network changes required to ensure end-to-end flow performance.

A Virtualização de Funções de Rede (Network Functions Virtualization - NFV) está mudando o paradigma das redes de telecomunicações. Esta nova tecnologia permite diversas oportunidades de inovações e possibilita o desenvolvimento de novos modelos de negócio. Em relação às redes NFV, os provedores de serviços têm a oportunidade de criar modelos de negócio que permitam aos clientes contratarem Funções de Rede Virtualizadas (Virtual Network Functions - VNFs) que proveem diferentes serviços de rede (e.g., Firewall, NAT e transcoders). Porém, nestes modelos, a quantidade de informações a serem gerenciadas cresce rapidamente. Baseado nisso, os operadores de rede devem ser capazes de entender e manipular uma grande quantidade de informação para gerenciar, de forma efetiva, as redes NFV. Para enfrentar esse problema, introduzimos uma plataforma de visualização denominada VISION, a qual tem como principal objetivo ajudar os operadores de rede na identificação da causa raiz de problemas em NFV. Para isso, propusemos: (i) uma abordagem para coleta e organização de dados do ambiente NFV gerenciado; (ii) cinco diferentes visualizações que auxiliam nas tarefas de gerenciamento de NFV como, por exemplo, no processo de identificação de problemas em VNFs e no planejamento de negócios e (iii) um modelo baseado em templates que suporta o desenvolvimento e o reuso de visualizações. Para fins de avaliação desta dissertação, foi desenvolvido um protótipo da plataforma VISION e de todas as visualizações propostas. Após, conduzimos um conjunto de casos de estudo para prover evidências sobre a viabilidade e utilidade de nossas visualizações. Os diferentes casos analisados, abordam por exemplo, a identificação de problemas na alocação de VNFs que estão impactando no desempenho do serviço oferecido e também na investigação de prioridades de investimento para suprir as demandas dos clientes da rede. Por fim, apresentamos uma avaliação de usabilidade realizada juntamente a especialistas em redes de computadores para avaliar os recursos e benefícios da plataforma VISION. Os resultados obtidos demonstram que nossas visualizações possibilitam ao operador de rede um rápido e fácil acesso às informações importantes para o gerenciamento de redes NFV, assim facilitando a obtenção de insights para a identificação de problemas complexos no contexto de redes NFV. Além disso, os resultados demonstram uma avaliação positiva por especialistas sobre os aspectos gerais de usabilidade do protótipo desenvolvido. / Network Functions Virtualization (NFV) is driving a paradigm shift in telecommunications networks and computer networks, by fostering new business models and creating innovation opportunities. In NFV-enabled networks, service providers have the opportunity to build a business model where tenants can purchase Virtual Network Functions (VNFs) that provide distinct network services and functions (e.g., Firewall, NAT, and transcoders). However, the amount of managed data grows in a fast pace. The network operator must understand and manipulate many data to effectively manage the network. To tackle this problem, we introduce VISION, a platform based on visualizations techniques to help network operators to determine the cause of not obvious problems. For this, we provide: (i) an approach to collect and organize data from the NFV environments; (ii) five distinct visualizations that can aid in NFV management tasks, such as in the process of identifying VNFs problems and planning of NFV-enabled businesses; and (iii) a template model that supports new visualization applications. To evaluate our work, we implemented a prototype of VISION platform and each of the proposed visualizations. We then conducted distinct case studies to provide evidence of the feasibility of our visualizations. These case studies cover different scenarios, such as the identification of misplacement of VNFs that are generating bottlenecks in a forwarding graph and the investigation of investment priorities to supply tenants demands. Finally, we present a usability evaluation with network operators to indicate the benefits of the VISION platform. The results obtained show that our visualizations allow the operator to access relevant information and have insights to identify not obvious problems in the context of NFV-enabled networks. In addition, we received positive feedback about general usability aspects related to our prototype.

Redes definidas por software (SDN) são uma abordagem recente para o projeto e operação de redes de computadores. Este paradigma é empregado com sucesso em cenários de datacenter, no entanto redes de acesso definidas por software (SDAN) ainda são raras em operadoras de telefonia e provedores de Internet. Isso deve-se em grande parte à inexistência de uma arquitetura de referência, algo que diversos projetos tentaram suprir nos últimos anos. Independente da vertente escolhida, a opção por uma mudança tão disruptiva como o SDN precisa ser justificada. Modelos tecno-econômicos são comumente utilizados para estimar o impacto da mudança na rentabilidade da operação. O custo total de propriedade (TCO) é uma métrica utilizada para esse fim. O presente trabalho desenvolveu um modelo simplificado de comparação de arquiteturas de rede, que diferentemente dos demais, tem foco nos serviços oferecidos ao assinante e no custo de gerenciamento dos mesmos. A análise é realizada em duas dimensões. Na primeira o esforço de operar a rede é estimado através de uma análise qualitativa, de forma similar ao realizado por outros modelos. O segundo eixo é a quantidade de recursos exigida para provisionar e monitorar cada serviço. Essa estimativa é gerada através do uso de simulação de tempo discreto dos elementos e protocolos relevantes. A combinação das duas análises permite identificar as tendências de comportamento dos serviços geradas pela adoção de uma nova arquitetura de rede, e avaliar a conveniência dessa migração. O uso de simulação neste trabalho demandou a construção de modelos dos equipamentos e protocolos envolvidos. Elegeu-se o pacote NS-3 como ferramenta de simulação. Definir e implementar modelos para todos os serviços analisados poderia tornar-se tão oneroso quanto as técnicas que desejávamos suplantar, e por isso utilizou-se uma abordagem indireta. São simulados apenas os componentes essenciais, e os custos de cada serviço são inferidos a partir deles. O modelo de rede SDAN utilizado, denominado SDCN, é inspirado no SplitArchitecture, proposto pelo projeto SPARC. / Software defined networks are a novel approach to design and operation of computer networks. Although this paradigm is employed successfully in many data-centers and campus, software defined access networks (SDAN) are still in their infancy. Carriers and ISPs have not converged on a standard architecture to build their infrastructure upon, a problem many initiatives are trying to solve. Regardless of the chosen model, the option for such a disruptive change as SDN needs to be justified. Techno-economic models are commonly used to estimate the impact of a change in the operation. The Total Cost of Ownership (TCO) is a metric commonly used for this purpose. The present work developed a simplified evaluation model for network architectures, which focuses on the services offered to the subscriber and on the cost of managing them. The analysis is performed in two dimensions. In the first, the effort to operate the network is estimated through a qualitative analysis, similar to the one performed by other existing models. The second axis is the amount of resources required to provision and monitor each service. This estimation is produced through the use of discrete time simulation of selected elements and protocols. The combination of the analyzes allows us to identify the behavioral trends provoked by the adoption of a new network architecture, and to evaluate the convenience of such migration. The simulation in this work demanded models for the equipment and protocols involved. The package NS-3 was the chosen simulation tool. Defining and implementing models for all services analyzed could become as costly as the techniques we wish to overcome, so an indirect approach has been used. Only the essential components are simulated, and the costs of each service are inferred from them. The SDAN model evaluated in this work, called SDCN, is a simplification of the SplitArchitecture proposed by the SPARC project.

O processo de dimensionar redes de comunicação tem sido um desafio para pesquisadores e projetistas. A partir da especificação, passando pela operação, controle e gerenciamento de redes, as estimativas de comportamento do desempenho são úteis para o dimensionamento adequado dos equipamentos. O detalhamento e precisão na capacidade de avaliar o impacto de carga futura melhoram as chances de prever dificuldades em atingir metas de serviços. Com redes de banda larga, como ATM, não tem sido diferente. Pela sua concepção de oferecer garantia de qualidade para serviços com diferentes requisitos, ATM se empenha em evitar a sobrecarga da rede. De início, essa premissa é preservada naturalmente através da restrição da quantidade e tipo de conexões ingressas na rede. Portanto, a adequação dos recursos que compõem a estrutura de uma rede ATM determina o grau de disponibilidade em atender certa quantidade de serviços. A pergunta que desejamos responder é: como estimar com precisão a quantidade de serviço suportada por determinada rede ATM? O limite da rede é alcançado quando os recursos disponíveis são menores que os recursos necessários à carga de serviço. Com o emprego cada vez maior de ATM por empresas de telecomunicações, conhecer o limite da rede é estar ciente da potencialidade de negócios sem comprometimento da qualidade. É poder prever expansões evitando bloqueio de novos serviços. O processo de dimensionamento de capacidade de uma rede ATM revela a quantidade de recursos necessários para suportar determinada carga de serviço. Quando os recursos necessários forem maiores que os recursos disponíveis, o limite da rede foi alcançado. Nesse caso, são duas as possibilidades para o equilíbrio: aumentar os recursos da rede ou diminuir a carga de serviço desejado. Esta dissertação propõe um método para dimensionamento dos recursos de uma rede ATM. A principal técnica empregada no método é a simulação do comportamento de tráfego sobre comutadores ATM. Para determinada carga de tráfego são executadas diferentes simulações variando os recursos disponíveis dentro de parâmetros prováveis. As seguintes medidas de desempenho são obtidas nas simulações como resultados estatísticos médios: razão de perda de células (CLR), atraso de transferência de células (CTD) e variação do atraso de células (CDV). Conhecendo o desempenho desejado (QoS) pela carga de serviço, o método pode determinar a quantidade necessária de recursos que satisfazem os requisitos de QoS. A ferramenta escolhida para implementar o modelo foi o simulador orientado a eventos ATM/HFC do National Institute of Standards and Technology (NIST). O simulador é composto por diferentes modelos de elementos, cada qual com seus atributos, que podem ser combinados para caracterizar determinadas configurações de rede que se deseja avaliar. Os elementos podem ser desde representações de tipos de comutadores ATM até diferentes técnicas de controle de tráfego a serem utilizadas na simulação. A carga de serviço na simulação é provida por elementos modeladores que caracterizam diferentes tipos de aplicações geradoras de tráfego, permitindo arranjos de serviços CBR, VBR, ABR e UBR através de seus respectivos parâmetros descritores. A validação do método é efetuada através da comparação dos resultados obtidos com outro trabalho similar desenvolvido utilizando simulação. / The process of planning communication networks has been a challenge for researchers and designers. From the specification, through the operation, control and management of networks, the behavior performance estimates are useful for the adequate equipment dimensioning. The detailing and accuracy in the capacity to evaluate the future load impact increase the possibilities to forecast difficulties in reaching goals of services. With broadband networks, as ATM, it has not been different. ATM efforts in preventing network overload by its conception to offer quality guarantee for services with different requirements. From beginning, this premise is naturally preserved through restriction of the amount and type of connections that can enter the network. Therefore, the adequacy of the resources that compose the ATM network structure determines the degree of availability in attending certain amount of services. The question that we wish to answer is: how can we estimate accurately the amount of services supported by specific ATM network? The limit of the network is reached when the available resources are below the necessary resources to service load. With the higher use of ATM for telecommunications companies, to know the limit of network is to be aware of the potentiality without damage to the quality. It's to be able to forecast expansions to prevent new services blocking. The capacity planning process of an ATM network shows the amount of resources needed to support a specific workload. When the resource need is greater than the available resource, the network limit has been reached. In this case, there are two possibilities to reach balance: increase the network resources or lower the load of desired service. This work is about a method for ATM network resources dimensioning. The main technique used in the method is the traffic behavior simulation over ATM switches. For specific workload, different simulations are executed and they vary according to the resources available inside the probable parameters. The following measures of performance are gotten in the simulations as average statistics results: cell loss ratio (CLR), cell transfer delay (CTD) and cell delay variation (CDV). Knowing the workload desired performance (QoS), the method can determine the necessary amount of resources that will satisfy the QoS requirements. The chosen tool to implement the model was the event driven simulator ATM/HFC of the National Institute of Standards and Technology (NIST). The simulator is made up of different models of elements, each one with its attributes, which can be combined to characterize specific network configurations that are to be evaluated. The elements can range from representations of types of ATM switches to different techniques of traffic management to be used in the simulation. The workload in the simulation is provided by modeler elements that characterize different types of traffic generator applications, allowing sets of CBR, VBR, ABR and UBR services through their respective traffic parameters. The method validation is carried out through the matching of the results gotten with other similar work developed using simulation.

O aumento crescente da complexidade dos sistemas computacionais criou a necessidade do uso de técnicas de descrição formal (TDFs) na definição, implementação e manutenção dos sistemas. Contudo, apenas a existência de técnicas de descrição formal não garante o eficiente emprego das mesmas na especificação dos sistemas. É necessária a existência de ferramentas que viabilizem o uso das TDFs de forma que estas possam ser efetivamente úteis no desenvolvimento de projetos. Este trabalho apresenta os resultados obtidos da construção de um ambiente de especificação gráfico, onde a TDF E-LOTOS (Enhancements to LOTOS) fornece os mecanismos que uma técnica de descrição deve possuir para viabilizar a consistência, verificação e validação de sistemas. A TDF é suportada através do emprego de uma nova versão gráfica para a sintaxe textual padrão de E-LOTOS. O principal objetivo deste trabalho é disponibilizar aos projetistas e desenvolvedores um ambiente de especificação onde a criação, implementação, teste e manutenção de sistemas sejam feitos de forma fácil, rápida, intuitiva e consistente. Para tal, uma nova sintaxe gráfica de E-LOTOS foi criada: o E-DART (Enhancements to DART). Foi desenvolvida também uma ferramenta que permite o uso de E-DART, o Editor E-DART. A nova sintaxe abstrai, através de diagramas, as complexidades naturais de E-LOTOS, permitindo uma compreensão mais intuitiva dos sistemas. Com o uso de E-DART as especificações construídas são validadas por uma TDF sem que o processo de criação torne-se complexo. No Editor E-DART, a rapidez na criação das especificações é alcançada com mecanismos de reuso de módulos, e com o emprego de recursos avançados de interação com o usuário. O reuso de módulos diminui o tempo total dispensado na criação de especificações porque as mesmas poderão utilizar partes já homologadas de outros sistemas, sem a necessidade de validação e testes, pois estes são procedimentos realizados anteriormente nas outras especificações. Os recursos avançados de interação, por outro lado, permitem que projetistas não familiarizados com E-LOTOS sejam ainda assim capazes de construir sistemas complexos. Além disso, profissionais que tenham experiência com a TDF têm acesso direto ao código textual E-LOTOS, o que lhes garante uma maior compreensão das especificações. / The increasing complexity of the computational systems has created the necessity of the use of formal description techniques (FDTs) in the systems definition, implementation and maintenance. However, only the existence of formal description techniques does not guarantee their efficient use in the systems specification. The existence of tools is necessary to make the use of the TDFFs possible in a way in which these techniques can be effectively useful in projects development. This work presents the results of the construction of a specification graphical environment, where E-LOTOS FDT (Enhancements to LOTOS) supplies the mechanisms that a description technique must possess to make possible the consistency, verification and validation of systems. The FDT is supported through the use of a new graphical version for the standard textual E-LOTOS syntax. The main goal of this work is to provide to designers and developers a specification environment where the creation, implementation, test and maintenance of systems are made in a easy form, fast, intuitive and consistent way. For such, a new graphical syntax of E-LOTOS was created: the E-DART (Enhancements to DART). A tool that allows the E-DART use was also developed, the E-DART Editor. The new syntax represents, through diagrams, the natural complexities of E-LOTOS, allowing a intuitive understanding of the systems. With the use of E-DART the specifications are still validated by a FDT, without turning their creation into a complex process. In the E-DART Editor, fast creation of the specifications is achieved with mechanisms of module reuse, and with the use of advanced user interaction resources. The reuse of module diminishes the total time used in the specifications creation because it will be possible to use parts already validated of other systems. The advanced interaction resources, on the other hand, allow that designers not familiarized with E-LOTOS to be able to construct complex systems. Moreover, professionals who have experience with the FDT have direct access to textual ELOTOS code, which guarantees an easier understanding of the specifications.

O padrão IEEE 802.16e é uma tecnologia emergente para redes de próxima geração com suporte à qualidade de serviço para usuários fixos e móveis. No contexto de aplicações móveis, a técnica OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) deve ser empregada para multiplexação de canais de rádio frequência, suportando a alocação simultânea do canal para múltiplos usuários. Porém, essa alocação, considerando a estrutura do quadro OFDMA, não é definida pelo padrão IEEE 802.16e. A maioria das pesquisas atuais sobre arquiteturas de escalonamento baseadas nessa técnica de multiplexação estão focadas na transmissão downlink ou consideram apenas parcialmente os aspectos decorrentes do emprego da técnica OFDMA. Sendo assim, neste trabalho é apresentada uma arquitetura de escalonamento hierárquica, com dois níveis, para transmissões uplink em redes IEEE 802.16e, baseadas em OFDMA. A arquitetura proposta aborda a divisão do subquadro uplink entre oportunidades de requisição de banda e oportunidades de transmissão de dados, no Nível 1, e a seleção das requisições de banda para atendimento, no Nível 2. A proposta considera, além da técnica de multiplexação do canal, as cinco classes de serviço previstas pelo padrão IEEE 802.16e e o mecanismo de alocação de banda definido para a tecnologia. Uma ferramenta de simulação foi desenvolvida para avaliar o desempenho da proposta, considerando os diferentes aspectos da arquitetura e comparando com trabalhos relacionados. A avaliação é realizada considerando métricas como atraso médio no atendimento de requisições, percentual de requisições descartadas e a utilização do quadro. / The IEEE 802.16e standard is an emerging next generation network technology, designed to provide guaranteed QoS to both fixed and mobile users. In the context of mobile users, OFDMA technique must be used to multiplex the radio frequency channel. This technique allows to allocate the channel to multiple users at the same time. However, details about this allocation, considering the OFDMA frame structure, are not defined by the IEEE 802.16e standard. In this context, most of the current researches found on literature focus on proposing scheduling architectures for downlink transmissions only. Furthermore, researches that consider uplink transmissions, typically consider OFDMA aspects only partially. Therefore, this work presents an hierarchical scheduling architecture designed for uplink transmissions. The proposed architecture is composed of two levels. In the Level 1 the architecture addresses the division of the uplink subframe in bandwidth request opportunities, and data transmission opportunities. Level 2 is used to select among the bandwidth request, those that will be served on the next uplink subframe. The proposal considers OFDMA multiplexing technique, the five classes of service defined for QoS provisioning, and the bandwidth allocation mechanism defined in IEEE 802.16e standard. In order to evaluate the behavior of the proposed architecture, a simulation tool was developed. The approach used for evaluation was to compare the performance of the proposed architecture with related works found in the literature. The performance evaluation considers metrics such as average delay for serving requests, requests discarded, and the overall frame utilization.

Criação musical é considerada uma atividade individual realizada por músicos. Desde que a música tem servido como motivação natural para formação de comunidades, novas modalidades tem sido criadas por meio do uso da tecnologia e uma potencial convergência de atividades sociais e a criação musical é campo denominado Networked Music (música em rede), que permite que pessoas explorem as implicações da interconexão de seus computadores e compartilhem experiências musicais como atividades sociais através da música. Esta tese assume que um ambiente de música em rede, se projetado especificamente para isso, pode estimular formas sociais de criação musical, mesmo para usuários leigos em música - pessoas que não possuem conhecimento musical. O objetivo desta tese é investigar como a tecnologia musical pode proporcionar suporte adequado para criação musical e discutir como é possível eliminar obstáculos naturais para esta atividade, bem como definir requisitos orientados especificamente para leigos em música. Como resultado principal e ambiente para teste desta pesquisa, apresentar CODES (Cooperative Music Prototypes Design - Projeto de Protótipos Musicais Cooperativos) - um ambiente baseado na Web, direcionado e projetado para suportar criação musical cooperativa por leigos em música. A natureza prototípica de CODES está projetada e contruída sob uma perspectiva orientada a leigos, para proporcionar-lhes condições para experimentação com música combinando, ouvindo e rearranjando padrões sonoros para criar peças musicais simples - chamadas Protótipos Musicais. Ainda, os usuários de CODES podem cooperar com parceiros num processo de criação de protótipos musicais cíclico e colaborativo (chamado Prototipação Musical Cooperativa ), usando mecanismos de percepção, argumentação e negociação personalizados para permitir que um estágio consensual final seja atingido. Ao longo deste volume, os principais conceitos, princípios, requisitos e características de CODES são apresentados e os detalhes do projeto, implementação e avaliação com usuários reais são descritos. / Music creation is considered as mostly a solitary activity performed by musicians. Since music has traditionally served as a natural motivation for community formation, new modalities have been created by means of use of technology, and one potential convergency of social activities and music making is the field of "Networked Music". It allows people to explore the implications of interconnecting their computers, and share musical experience as a social activity through music. This thesis assumes that a networked music environment - if specifically designed for that - can stimulate social ways of music creation, even by novices in music - people assumed to have no previous knowledge of music. The goal of this thesis is to investigate how networked music technology can provide adequate support for music creation, to discuss how it is possible to overcome a set of natural barriers, and to define requirements specifically oriented to users novices in music, and, as the main result and testbed of this research, to introduce CODES (Cooperative Music Prototypes Design) - a Web-based novice-oriented environment designed to support cooperative music creation. The prototypical nature of CODES is designed and built in order to provide a novice-oriented perspective, as a novice may experiment with music by combining, listening and rearranging pre-defined sound patterns to create simple musical pieces - called Music Prototypes. Furthermore, CODES users may cooperate with partners in a cyclical and collaborative process of music prototypes creation - called Cooperative Music Prototyping, using customized awareness, argumentation, and negotiation mechanisms until a final consensual music prototype stage is reached. Throughout this volume, the main concepts, principles, requirements and characteristics of CODES are presented, and the details of design, implementation of CODES and its evaluation by actual users are described.

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.

Um desafio fundamental em ICN (do inglês Information-Centric Networking) é desenvolver Content Stores (ou seja, unidades de cache) que satisfaçam três requisitos: espaço de armazenamento grande, velocidade de operação rápida e custo acessível. A chamada Hierarchical Content Store (HCS) é uma abordagem promissora para atender a esses requisitos. Ela explora a correlação temporal entre requisições para prever futuras solicitações. Por exemplo, assume-se que um usuário que solicita o primeiro minuto de um filme também solicitará o segundo minuto. Teoricamente, essa premissa permitiria transferir proativamente conteúdos de uma área de cache relativamente grande, mas lenta (Layer 2 - L2), para uma área de cache mais rápida, porém menor (Layer 1 - L1). A estrutura hierárquica tem potencial para incrementar o desempenho da CS em uma ordem de grandeza tanto em termos de vazão como de tamanho, mantendo o custo. Contudo, o desenvolvimento de HCS apresenta diversos desafios práticos. É necessário acoplar as hierarquias de memória L2 e L1 considerando as suas taxas de transferência e tamanhos, que dependem tanto de aspectos de hardware (por exemplo, taxa de leitura da L2, uso de múltiplos SSD físicos em paralelo, velocidade de barramento, etc.), como de software (por exemplo, controlador do SSD, gerenciamento de memória, etc.). Nesse contexto, esta tese apresenta duas contribuições principais. Primeiramente, é proposta uma arquitetura para superar os gargalos inerentes ao sistema através da paralelização de múltiplas HCS. Em resumo, o esquema proposto supera desafios inerentes à concorrência (especificamente, sincronismo) através do particionamento determinístico das requisições de conteúdos entre múltiplas threads. Em segundo lugar, é proposta uma metodologia para investigar o desenvolvimento de HCS explorando técnicas de emulação e modelagem analítica conjuntamente. A metodologia proposta apresenta vantagens em relação a metodologias baseadas em prototipação e simulação. A L2 é emulada para viabilizar a investigação de uma variedade de cenários de contorno (tanto em termos de hardware como de software) maior do que seria possível através de prototipação (considerando as tecnologias atuais). Além disso, a emulação emprega código real de um protótipo para os outros componentes do HCS (por exemplo L1, gerência das camadas e API) para fornecer resultados mais realistas do que seriam obtidos através de simulação. / A key challenge in Information Centric Networking (ICN) is to develop cache units (also called Content Store - CS) that meet three requirements: large storage space, fast operation, and affordable cost. The so-called HCS (Hierarchical Content Store) is a promising approach to satisfy these requirements jointly. It explores the correlation between content requests to predict future demands. Theoretically, this idea would enable proactively content transfers from a relatively large but slow cache area (Layer 2 - L2) to a faster but smaller cache area (Layer 1 - L1). Thereby, it would be possible to increase the throughput and size of CS in one order of magnitude, while keeping the cost. However, the development of HCS introduces several practical challenges. HCS requires a careful coupling of L2 and L1 memory levels considering their transfer rates and sizes. This requirement depends on both hardware specifications (e.g., read rate L2, use of multiple physical SSD in parallel, bus speed, etc.), and software aspects (e.g., the SSD controller, memory management, etc.). In this context, this thesis presents two main contributions. First, we propose an architecture for overcoming the HCS bottlenecks by parallelizing multiple HCS. In summary, the proposed scheme overcomes racing condition related challenges through deterministic partitioning of content requests among multiple threads. Second, we propose a methodology to investigate the development of HCS exploiting emulation techniques and analytical modeling jointly. The proposed methodology offers advantages over prototyping and simulation-based methods. We emulate the L2 to enable the investigation of a variety of boundary scenarios that are richer (regarding both hardware and software aspects) than would be possible through prototyping (considering current technologies). Moreover, the emulation employs real code from a prototype for the other components of the HCS (e.g., L1, layers management and API) to provide more realistic results than would be obtained through simulation.

Algumas palavras e definições comumente utilizadas quando se está falando de Software-Defined Networking, como programabilidade, flexibilidade, ou gerenciamento centralizado, parecem muito apropriadas ao contexto de um outro paradigma de rede: Internet of Things. Em redes domésticas já não é incomum a existência de dispositivos projetados para segurança, climatização, iluminação, monitoramento de saúde e algumas formas de automação que diferem entre si em diversos aspectos, como no modo de operar e de se comunicar. Lidar com este tipo de cenário, que pode diferir bastante daquilo que estamos acostumados na gerência de redes e serviços, fazendo uso dos recursos tradicionais como ferramentas e protocolos bem estabelecidos, pode ser difícil e, em alguns casos, inviável. Com o objetivo de possibilitar o monitoramento remoto de pacientes com doenças crônicas através de dispositivos de healthcare disponíveis no mercado, uma proposta de middleware foi desenvolvida em um projeto de pesquisa para contornar as limitações relacionadas à interoperabilidade, coleta de dados, gerência, segurança e privacidade encontradas nos dispositivos utilizados. O middleware foi projetado com o intuito de executar em access points instalados na casa dos pacientes. Contudo, as limitações de hardware e software do access point utilizado refletem no desenvolvimento, pois restringem o uso de linguagens de programação e recursos que poderiam agilizar e facilitar a implementação dos módulos e dos mecanismos necessários. Os contratempos encontrados no desenvolvimento motivaram a busca por alternativas, o que resultou na refatoração do middleware através de Software-Defined Networking, baseando-se em trabalhos que exploram o uso desse paradigma em redes domésticas. O objetivo deste trabalho é verificar a viabilidade da utilização de Software-Defined Networking no contexto de Internet of Things, mais especificamente, aplicado ao serviço de monitoramento de pacientes da proposta anterior e explorar os possíveis benefícios resultantes. Com a refatoração, a maior parte da carga de serviços da rede e do monitoramento foi distribuída entre servidores remotos dedicados, com isso os desenvolvedores podem ir além das restrições do access point e fazer uso de recursos antes não disponíveis, o que potencializa um processo de desenvolvimento mais ágil e com funcionalidades mais complexas, ampliando as possibilidades do serviço. Adicionalmente, a utilização de Software-Defined Networking proporcionou a entrega de mais de um serviço através de um único access point, escalabilidade e autonomia no gerenciamento das redes e dos dispositivos e na implantação de serviços, fazendo uso de recursos do protocolo OpenFlow, e a cooperação entre dispositivos e serviços a fim de se criar uma representação digital mais ampla do ambiente monitorado. / Some words and definitions usually employed when talking about Software-Defined Networking such as programmability, frexibility, or centralized management sound very appropriate to the context of another network paradigm: Internet of Things. The presence of devices designed for security, air conditioning, lighting, health monitoring and some other automation resources have become common in home networks; those devices may be different in many ways, such as the way they operate and communicate, between others. Dealing with this kind of scenario may differ in many ways from what we are familiar regarding networking and services management; the use of traditional management tools and protocols may be hard or even unfeasible. Aiming to enable the health monitoring of patients with chronical illnesses through using off-the-shelf healthcare devices a middleware proposal was developed in a research project to circumvent interoperability, data collecting, management, security and privacy issues found in employed devices. The middleware was designed to run on access points in the homes of the patients. Although hardware and software limitations of the used access points reflect on the development process, because they restrict the use of programming languages and resources that could be employed to expedite the implementation of necessary modules and features. Development related mishaps have motivated the search for alternatives resulting in the middleware refactoring through Software-Defined Networking, based on previous works where that paradigm is used in home networks. This work aims to verify the feasability of the employment of Software- Defined Networking in the Internet of Things context, and its resulting benefits; specifically in the health monitoring of chronic patients service from the previous proposal. After refactoring most of the network and services load was distributed among remote dedicated servers allowing developers to go beyond the limitations imposed by access points constraints, and to make use of resources not available before enabling agility to the development process; it also enables the development of more complex features expanding services possibilities. Additionally Software-Defined Networking employment provides benefits such as the delivering of more than only one service through the same access point; scalability and autonomy to the network and devices monitoring, as to the service deployment through the use of OpenFlow resources; and devices and services cooperation enabling the built of a wider digital representation of the monitored environment.