[pt] Pesquisas recentes em Virtualização de Redes focaram no problema conhecido como ossificação da Internet (Anderson et al., 2005), onde múltiplas redes virtuais (Virtual Networks - VN) independentes (Anderson et al., 2005) que exibem um alto grau de autonomia compartilham recursos físicos e podem prover serviços com diferentes graus de qualidade. Nesse sentido, pesquisas na área de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos deram passos evolutivos em repensar o projeto e os princípios arquiteturais de uma VN (Blumenthal e Clark, 2001) (Houidi et al., 2008). Entretanto, até onde sabemos, houve pouca investigação sobre o comportamento autonômico de tais arquiteturas (Prehofer e Bettstetters, 2005) (Movahedi et al., 2012). Sendo assim, esta pesquisa descreve uma tentativa de aplicar princípios de Sistemas Multi-Agentes (Multiagent Systems - MAS) para projetar um modelo autonômico e auto-adaptativo para o gerenciamento de redes virtuais (Virtual Networking Provisioning - VNP). Modelo esse que preenche uma lacuna na atual arquitetura da Internet. Além disso, fornecemos uma análise dos requisitos de um gerenciador auto-adaptativo para projetar um modelo autonômico confiável que é capaz de auto-organizar seus próprios recursos, sem controle, externo, para lidar com mudanças no ambiente. Tal comportamento adaptativo será necessário tendo em vista que a próxima geração da Internet está em evolução. Através da nossa avaliação, demonstramos que o modelo atinge seu propósito principal de auto-organizar uma VN eficientemente, dado que ele é capaz de antecipar cenáris críticos e executar planos adaptativos correspondentes. / [en] Recent research in Network Virtualization has focused on the Internet ossification problem (Anderson et al., 2005) whereby multiple independente virtual networks (VN) (Anderson et al., 2005) that exhibit a high degree of autonomy share physical resources and can provide services with varying degrees of quality. Thus, the Network field has taken evolutionary steps on re-thinking the design and architectural principles of VN (Blumenthal e Clark, 2001) (Houidi et al., 2008). However, to the best of our knowledge, there has been little investigation into the autonomic behaviourof such architectures (Prehofer e Bettstetter, 2005) (Movahedi et all., 2012). This paper describes na attempt to use Multiagent System (MAS) principles to design na autonomic and self-adaptative model for virtual network provisioning (VPN) that fills a gap in the current Internet architecture. In addition, we provide na analysis of the requirements of self-adaptive provisioning for designing a reliable autonomic model that is able to self-organize its own resources, with no external control, in order to cope with environment changes. Such behavior will be required as the next negeneration Internet evolves. Through our evaluation, we demonstrate that the model achieves its main purpose of efficiently self-organizing the VN, since it is able to anticipate critical scenarios and trigger corresponding adaptive plans.

This study is inserted in the Research Line of Professional Formation, Knowledge and Development in the Post Graduation Program in Education at UFSM (Federal University of Santa Maria RS Brazil). This research works from virtual meetings of teachers formation, involving 10 professors from the Administration Course Systems Analysis at FSG (Faculdade da Serra Gaúcha Caxias do Sul RS Brazil). These meetings were organized in five scenarios, each one of them with a question as a guideline. The goal is to identify how these professors construct their shared pedagogical knowledge, through a virtual interactive net for professional development (RADEP Academic Net for Professional Development). The main question in this research is: how professors construct shared pedagogical knowledge in virtual RADEP? The research is based in the theory of teachers formation and development, shared pedagogical knowledge, collaborative nets and new ways on how to learn how to be a teacher/professor. The approach, of a qualitative point of view, works with content analysis to capture the new emergent from teachers shared experiences. To come up these goals, the study brings up some reflections for the professors on the necessary knowledge for a pedagogical action, sharing experiences and aiming solutions for educative actions. Having as context nowadays technology, it is verified how a virtual environment may provide appropriation and expansion of pedagogical knowledge and, at the same time, the possibility for the professors to be mediators and mediated in a collaborative process in Superior Education. Though, RADEP is seen as an informational instrument that may provide shared pedagogical knowledge construction. Findings indicate that this kind of knowledge involves, systemically, several categories: pedagogical anguish, passivity related to formation, resistance in sharing knowledge, self-development and transformation. / O presente estudo está inserido na Linha de Pesquisa: Formação, Saberes e Desenvolvimento Profissional do Programa de Pós-Graduação em Educação da UFSM. A pesquisa trabalha a partir das reuniões virtuais de formação docente, envolvendo 10 professores do curso de Administração - Análise de Sistemas da FSG. Estas reuniões organizam-se em cinco cenários orientados, cada um, por uma questão norteadora. O objetivo é identificar como se dá a construção do conhecimento pedagógico compartilhado por esses docentes, via rede interativa virtual para o desenvolvimento profissional. (RADEP - Rede Acadêmica de Desenvolvimento Profissional). O problema da pesquisa é: Como os professores do ensino superior constroem conhecimentos pedagógicos compartilhados na RADEP virtual? A pesquisa utiliza como aportes teóricos: formação e desenvolvimento profissional docente, conhecimento pedagógico compartilhado, redes colaborativas e novas modalidades de aprender a ser professor. A abordagem, de cunho qualitativo, trabalha com a análise de conteúdo para capturar o novo emergente das experiências compartilhadas pelos professores. Para atingir esses objetivos, o estudo proporciona aos docentes reflexões sobre os saberes necessários ao exercício pedagógico, compartilhando experiências e buscando soluções para as práticas educativas. Tendo por contexto as tecnologias atuais, verifica-se como um ambiente virtual proporciona a apropriação e expansão dos conhecimentos pedagógicos e, ao mesmo tempo, a possibilidade dos professores serem mediadores e mediados dentro de um processo de colaboração na Educação Superior. Assim a RADEP é vista como um instrumento informacional que pode proporcionar a construção de conhecimentos pedagógicos compartilhados. Os achados indicam que este tipo de conhecimento envolve, de forma sistêmica, diversas categorias explicativas: angústia pedagógica; passividade frente à formação; resistência ao compartilhamento; auto-desenvolvimento e transformação.

Made available in DSpace on 2015-10-19T11:49:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 gustfreire2004.pdf: 813616 bytes, checksum: 86f5b33ac9df89049239d69315302ba8 (MD5) Previous issue date: 2004-03-23 / Contemporary society is based on two pillars: information and knowledge, supported by digital technologies. It brings the necessity of a new attitude and the acquisition of new skills by the users, mainly in the process of communicating the information. This new attitudes and skills result in a search for continuous learning and in the use of intellectual technologies. This process occurs in every single level of contemporary society, involving activities such as training and capability improvement and, mainly, production and management of information. In this sense, learning virtual networks are fundamental to facilitate the communication of information in a society whose structure is becoming more and more distant of hierarchy. This digital network is presented in a new channel of communication of information: the cyberspace. In this process, professors and professionals of information are seen as facilitation agents; on the other side, in learning virtual networks, a professional of information can also be a manager of virtual environment / A sociedade contemporânea tem na informação e no conhecimento os seus pilares, sustentados pelas tecnologias digitais. Para os usuários, isto implica em novas atitudes e na aquisição de novas competências, principalmente no processo de comunicação de informação. Por sua vez, estas novas atitudes e competências resultam em uma necessidade de aprendizado contínuo e no uso de tecnologias intelectuais. Este processo ocorre em todos os níveis da sociedade, envolvendo atividades de treinamento e capacitação e, principalmente, produção e gestão de informação. Neste sentido, as redes virtuais de aprendizagem são fundamentais para facilitar a comunicação de informação em uma sociedade que se estrutura cada vez mais de forma nãohierarquizada. Estas redes digitais se apresentam em um novo canal de comunicação de informação: o ciberespaço. Nesse processo, os professores e profissionais de informação são vistos como facilitadores, sendo que o profissional da informação pode atuar também como um gestor de redes de comunicação da informação em ambiente virtual

A Virtualização de Funções de Rede (NFV – Network Function Virtualization) é um novo conceito arquitetural que está remodelando a operação de funções de rede (e.g., firewall, gateways e proxies). O conceito principal de NFV consiste em desacoplar a lógica de funções de rede dos dispositivos de hardware especializados e, desta forma, permite a execução de imagens de software sobre hardware de prateleira (COTS – Commercial Off-The-Shelf). NFV tem o potencial para tornar a operação das funções de rede mais flexíveis e econômicas, primordiais em ambientes onde o número de funções implantadas pode chegar facilmente à ordem de centenas. Apesar da intensa atividade de pesquisa na área, o problema de posicionar e encadear funções de rede virtuais (VNF – Virtual Network Functions) de maneira escalável e com baixo custo ainda apresenta uma série de limitações. Mais especificamente, as estratégias existentes na literatura negligenciam o aspecto de encadeamento de VNFs (i.e., objetivam sobretudo o posicionamento), não escalam para o tamanho das infraestruturas NFV (i.e., milhares de nós com capacidade de computação) e, por último, baseiam a qualidade das soluções obtidas em custos operacionais não representativos. Nesta tese, aborda-se o posicionamento e o encadeamento de funções de rede virtualizadas (VNFPC – Virtual Network Function Placement and Chaining) como um problema de otimização no contexto intra- e inter-datacenter. Primeiro, formaliza-se o problema VNFPC e propõe-se um modelo de Programação Linear Inteira (ILP) para resolvêlo. O objetivo consiste em minimizar a alocação de recursos, ao mesmo tempo que atende aos requisitos e restrições de fluxo de rede. Segundo, aborda-se a escalabilidade do problema VNFPC para resolver grandes instâncias do problema (i.e., milhares de nós NFV). Propõe-se um um algoritmo heurístico baseado em fix-and-optimize que incorpora a meta-heurística Variable Neighborhood Search (VNS) para explorar eficientemente o espaço de solução do problema VNFPC. Terceiro, avalia-se as limitações de desempenho e os custos operacionais de estratégias típicas de aprovisionamento ambientes reais de NFV. Com base nos resultados empíricos coletados, propõe-se um modelo analítico que estima com alta precisão os custos operacionais para requisitos de VNFs arbitrários. Quarto, desenvolve-se um mecanismo para a implantação de encadeamentos de VNFs no contexto intra-datacenter. O algoritmo proposto (OCM – Operational Cost Minimization) baseia-se em uma extensão da redução bem conhecida do problema de emparelhamento ponderado (i.e., weighted perfect matching problem) para o problema de fluxo de custo mínimo (i.e., min-cost flow problem) e considera o desempenho das VNFs (e.g., requisitos de CPU), bem como os custos operacionais estimados. Os resultados alcaçados mostram que o modelo ILP proposto para o problema VNFPC reduz em até 25% nos atrasos fim-a-fim (em comparação com os encadeamentos observados nas infra-estruturas tradicionais) com um excesso de provisionamento de recursos aceitável – limitado a 4%. Além disso, os resultados evidenciam que a heurística proposta (baseada em fix-and-optimize) é capaz de encontrar soluções factíveis de alta qualidade de forma eficiente, mesmo em cenários com milhares de VNFs. Além disso, provê-se um melhor entendimento sobre as métricas de desempenho de rede (e.g., vazão, consumo de CPU e capacidade de processamento de pacotes) para as estratégias típicas de implantação de VNFs adotadas infraestruturas NFV. Por último, o algoritmo proposto no contexto intra-datacenter (i.e. OCM) reduz significativamente os custos operacionais quando comparado aos mecanismos de posicionamento típicos uti / Network Function Virtualization (NFV) is a novel concept that is reshaping the middlebox arena, shifting network functions (e.g. firewall, gateways, proxies) from specialized hardware appliances to software images running on commodity hardware. This concept has potential to make network function provision and operation more flexible and cost-effective, paramount in a world where deployed middleboxes may easily reach the order of hundreds. Despite recent research activity in the field, little has been done towards scalable and cost-efficient placement & chaining of virtual network functions (VNFs) – a key feature for the effective success of NFV. More specifically, existing strategies have neglected the chaining aspect of NFV (focusing on efficient placement only), failed to scale to hundreds of network functions and relied on unrealistic operational costs. In this thesis, we approach VNF placement and chaining as an optimization problem in the context of Inter- and Intra-datacenter. First, we formalize the Virtual Network Function Placement and Chaining (VNFPC) problem and propose an Integer Linear Programming (ILP) model to solve it. The goal is to minimize required resource allocation, while meeting network flow requirements and constraints. Then, we address scalability of VNFPC problem to solve large instances (i.e., thousands of NFV nodes) by proposing a fixand- optimize-based heuristic algorithm for tackling it. Our algorithm incorporates a Variable Neighborhood Search (VNS) meta-heuristic, for efficiently exploring the placement and chaining solution space. Further, we assess the performance limitations of typical NFV-based deployments and the incurred operational costs of commodity servers and propose an analytical model that accurately predict the operational costs for arbitrary service chain requirements. Then, we develop a general service chain intra-datacenter deployment mechanism (named OCM – Operational Cost Minimization) that considers both the actual performance of the service chains (e.g., CPU requirements) as well as the operational incurred cost. Our novel algorithm is based on an extension of the well-known reduction from weighted matching to min-cost flow problem. Finally, we tackle the problem of monitoring service chains in NFV-based environments. For that, we introduce the DNM (Distributed Network Monitoring) problem and propose an optimization model to solve it. DNM allows service chain segments to be independently monitored, which allows specialized network monitoring requirements to be met in a efficient and coordinated way. Results show that the proposed ILP model for the VNFPC problem leads to a reduction of up to 25% in end-to-end delays (in comparison to chainings observed in traditional infrastructures) and an acceptable resource over-provisioning limited to 4%. Also, we provide strong evidences that our fix-and-optimize based heuristic is able to find feasible, high-quality solutions efficiently, even in scenarios scaling to thousands of VNFs. Further, we provide indepth insights on network performance metrics (such as throughput, CPU utilization and packet processing) and its current limitations while considering typical deployment strategies. Our OCM algorithm reduces significantly operational costs when compared to the de-facto standard placement mechanisms used in Cloud systems. Last, our DNM model allows finer grained network monitoring with limited overheads. By coordinating the placement of monitoring sinks and the forwarding of network monitoring traffic, DNM can reduce the number of monitoring sinks and the network resource consumption (54% lower than a traditional method).

A Virtualização de Funções de Rede (NFV – Network Function Virtualization) é um novo conceito arquitetural que está remodelando a operação de funções de rede (e.g., firewall, gateways e proxies). O conceito principal de NFV consiste em desacoplar a lógica de funções de rede dos dispositivos de hardware especializados e, desta forma, permite a execução de imagens de software sobre hardware de prateleira (COTS – Commercial Off-The-Shelf). NFV tem o potencial para tornar a operação das funções de rede mais flexíveis e econômicas, primordiais em ambientes onde o número de funções implantadas pode chegar facilmente à ordem de centenas. Apesar da intensa atividade de pesquisa na área, o problema de posicionar e encadear funções de rede virtuais (VNF – Virtual Network Functions) de maneira escalável e com baixo custo ainda apresenta uma série de limitações. Mais especificamente, as estratégias existentes na literatura negligenciam o aspecto de encadeamento de VNFs (i.e., objetivam sobretudo o posicionamento), não escalam para o tamanho das infraestruturas NFV (i.e., milhares de nós com capacidade de computação) e, por último, baseiam a qualidade das soluções obtidas em custos operacionais não representativos. Nesta tese, aborda-se o posicionamento e o encadeamento de funções de rede virtualizadas (VNFPC – Virtual Network Function Placement and Chaining) como um problema de otimização no contexto intra- e inter-datacenter. Primeiro, formaliza-se o problema VNFPC e propõe-se um modelo de Programação Linear Inteira (ILP) para resolvêlo. O objetivo consiste em minimizar a alocação de recursos, ao mesmo tempo que atende aos requisitos e restrições de fluxo de rede. Segundo, aborda-se a escalabilidade do problema VNFPC para resolver grandes instâncias do problema (i.e., milhares de nós NFV). Propõe-se um um algoritmo heurístico baseado em fix-and-optimize que incorpora a meta-heurística Variable Neighborhood Search (VNS) para explorar eficientemente o espaço de solução do problema VNFPC. Terceiro, avalia-se as limitações de desempenho e os custos operacionais de estratégias típicas de aprovisionamento ambientes reais de NFV. Com base nos resultados empíricos coletados, propõe-se um modelo analítico que estima com alta precisão os custos operacionais para requisitos de VNFs arbitrários. Quarto, desenvolve-se um mecanismo para a implantação de encadeamentos de VNFs no contexto intra-datacenter. O algoritmo proposto (OCM – Operational Cost Minimization) baseia-se em uma extensão da redução bem conhecida do problema de emparelhamento ponderado (i.e., weighted perfect matching problem) para o problema de fluxo de custo mínimo (i.e., min-cost flow problem) e considera o desempenho das VNFs (e.g., requisitos de CPU), bem como os custos operacionais estimados. Os resultados alcaçados mostram que o modelo ILP proposto para o problema VNFPC reduz em até 25% nos atrasos fim-a-fim (em comparação com os encadeamentos observados nas infra-estruturas tradicionais) com um excesso de provisionamento de recursos aceitável – limitado a 4%. Além disso, os resultados evidenciam que a heurística proposta (baseada em fix-and-optimize) é capaz de encontrar soluções factíveis de alta qualidade de forma eficiente, mesmo em cenários com milhares de VNFs. Além disso, provê-se um melhor entendimento sobre as métricas de desempenho de rede (e.g., vazão, consumo de CPU e capacidade de processamento de pacotes) para as estratégias típicas de implantação de VNFs adotadas infraestruturas NFV. Por último, o algoritmo proposto no contexto intra-datacenter (i.e. OCM) reduz significativamente os custos operacionais quando comparado aos mecanismos de posicionamento típicos uti / Network Function Virtualization (NFV) is a novel concept that is reshaping the middlebox arena, shifting network functions (e.g. firewall, gateways, proxies) from specialized hardware appliances to software images running on commodity hardware. This concept has potential to make network function provision and operation more flexible and cost-effective, paramount in a world where deployed middleboxes may easily reach the order of hundreds. Despite recent research activity in the field, little has been done towards scalable and cost-efficient placement & chaining of virtual network functions (VNFs) – a key feature for the effective success of NFV. More specifically, existing strategies have neglected the chaining aspect of NFV (focusing on efficient placement only), failed to scale to hundreds of network functions and relied on unrealistic operational costs. In this thesis, we approach VNF placement and chaining as an optimization problem in the context of Inter- and Intra-datacenter. First, we formalize the Virtual Network Function Placement and Chaining (VNFPC) problem and propose an Integer Linear Programming (ILP) model to solve it. The goal is to minimize required resource allocation, while meeting network flow requirements and constraints. Then, we address scalability of VNFPC problem to solve large instances (i.e., thousands of NFV nodes) by proposing a fixand- optimize-based heuristic algorithm for tackling it. Our algorithm incorporates a Variable Neighborhood Search (VNS) meta-heuristic, for efficiently exploring the placement and chaining solution space. Further, we assess the performance limitations of typical NFV-based deployments and the incurred operational costs of commodity servers and propose an analytical model that accurately predict the operational costs for arbitrary service chain requirements. Then, we develop a general service chain intra-datacenter deployment mechanism (named OCM – Operational Cost Minimization) that considers both the actual performance of the service chains (e.g., CPU requirements) as well as the operational incurred cost. Our novel algorithm is based on an extension of the well-known reduction from weighted matching to min-cost flow problem. Finally, we tackle the problem of monitoring service chains in NFV-based environments. For that, we introduce the DNM (Distributed Network Monitoring) problem and propose an optimization model to solve it. DNM allows service chain segments to be independently monitored, which allows specialized network monitoring requirements to be met in a efficient and coordinated way. Results show that the proposed ILP model for the VNFPC problem leads to a reduction of up to 25% in end-to-end delays (in comparison to chainings observed in traditional infrastructures) and an acceptable resource over-provisioning limited to 4%. Also, we provide strong evidences that our fix-and-optimize based heuristic is able to find feasible, high-quality solutions efficiently, even in scenarios scaling to thousands of VNFs. Further, we provide indepth insights on network performance metrics (such as throughput, CPU utilization and packet processing) and its current limitations while considering typical deployment strategies. Our OCM algorithm reduces significantly operational costs when compared to the de-facto standard placement mechanisms used in Cloud systems. Last, our DNM model allows finer grained network monitoring with limited overheads. By coordinating the placement of monitoring sinks and the forwarding of network monitoring traffic, DNM can reduce the number of monitoring sinks and the network resource consumption (54% lower than a traditional method).

O objetivo desta dissertação é avaliar o desempenho de ambientes virtuais de roteamento construídos sobre máquinas x86 e dispositivos de rede existentes na Internet atual. Entre as plataformas de virtualização mais utilizadas, deseja-se identificar quem melhor atende aos requisitos de um ambiente virtual de roteamento para permitir a programação do núcleo de redes de produção. As plataformas de virtualização Xen e KVM foram instaladas em servidores x86 modernos de grande capacidade, e comparadas quanto a eficiência, flexibilidade e capacidade de isolamento entre as redes, que são os requisitos para o bom desempenho de uma rede virtual. Os resultados obtidos nos testes mostram que, apesar de ser uma plataforma de virtualização completa, o KVM possui desempenho melhor que o do Xen no encaminhamento e roteamento de pacotes, quando o VIRTIO é utilizado. Além disso, apenas o Xen apresentou problemas de isolamento entre redes virtuais. Também avaliamos o efeito da arquitetura NUMA, muito comum em servidores x86 modernos, sobre o desempenho das VMs quando muita memória e núcleos de processamento são alocados nelas. A análise dos resultados mostra que o desempenho das operações de Entrada e Saída (E/S) de rede pode ser comprometido, caso as quantidades de memória e CPU virtuais alocadas para a VM não respeitem o tamanho dos nós NUMA existentes no hardware. Por último, estudamos o OpenFlow. Ele permite que redes sejam segmentadas em roteadores, comutadores e em máquinas x86 para que ambientes virtuais de roteamento com lógicas de encaminhamento diferentes possam ser criados. Verificamos que ao ser instalado com o Xen e com o KVM, ele possibilita a migração de redes virtuais entre diferentes nós físicos, sem que ocorram interrupções nos fluxos de dados, além de permitir que o desempenho do encaminhamento de pacotes nas redes virtuais criadas seja aumentado. Assim, foi possível programar o núcleo da rede para implementar alternativas ao protocolo IP. / The aim of this work is to evaluate the performance of routing virtual environments built on x86 machines and network devices existing on the Internet today. Among the most widely used virtualization platforms, we want to identify which best meets the requirements of a virtual routing to allow programming of the core production networks. Virtualization platforms Xen and KVM were installed on modern large capacity x86 machines, and they were compared for efficiency, flexibility and isolation between networks, which are the requirements for good performance of a virtual network. The tests results show that, despite being a full virtualization platform, KVM has better performance than Xen in forwarding and routing packets when the VIRTIO is used. Furthermore, only Xen had isolation problems between networks. We also evaluate the effect of the NUMA architecture, very common in modern x86 servers, on the performance of VMs when lots of memory and processor cores are allocated to them. The results show that Input and Output (I/O) network performance can be compromised whether the amounts of virtual memory and CPU allocated to VM do not respect the size of the existing hardware NUMA nodes. Finally, we study the OpenFlow. It allows slicing networks into routers, switches and x86 machines to create virtual environments with different routing forwarding rules. We found that, when installed with Xen and KVM, it enables the migration of virtual networks among different physical nodes, without interruptions in the data streams, and allows to increase the performance of packet forwarding in the virtual networks created. Thus, it was possible to program the core network to implement alternatives to IP protocol.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:05:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017.pdf: 2776743 bytes, checksum: cc39daf3470ef4356480296d650d108c (MD5) Previous issue date: 2007-11-26 / Regarding new computational and networking requisites such as wireless networks, mutihoming interfaces, load-balancing mechanisms and several other middleboxes [1] present today, these facts, allied to the static and conservative nature of the Internet and its sheer size turn the capability to correct these problems an almost impossible attempt, as it demands structural changes. In the Internet inception, in the late 70th, neither mobility nor multihoming where foreseen in its original intents. In this sense, the proposition of a novel naming architecture for the Internet to identify univocally services and data, irrespective to its node characteristics, would have an acute changing effect and will allow its elements to be precisely represented and authenticated. In order to achieve these purposes, the use of Virtual Networks was considered as it allows the incremental introduction of new technologies, protocols and applications being itself a more viable alternative when compared to several failed attempts to introduce new structural changes to the Internet [2; 3]. A proposal for a taxonomy for Virtual Networks was described here as a result of a site survey that was conducted to function as subject to this architecture proposition. Besides, a literature investigation of related projects followed by a network testbed of several protocols originated the proposition of a Layered Naming Architecture for the Internet using Virtual Networks. / Face a vários novos requisitos de comunicação demandados por equipamentos em desenvolvimento constante, tais como computadores móveis portadores de múltiplas interfaces comunicantes, devido à inserção de diversos middleboxes [1], o modelo arquitetural TCP/IP necessita ser aprimorado para suportar novas tecnologias e protocolos. Originalmente, quando a Internet foi projetada, no final dos anos 70 nem mobilidade nem multihoming (i.e. equipamento com diversas conectividades físicas simultâneas) foram considerados. Pela proposição de uma nova arquitetura de nomeação para a Internet, que seja capaz de identificar univocamente qualquer entidade comunicante, bem como proporcionar suporte às tecnologias já extensamente utilizadas, este trabalho objetivou promover a mobilidade e o suporte a diversos middleboxes para a Internet, principalmente no que diz respeito à identificação e à autenticação de nós e objetos (i.e. serviços, dados e usuários). Almejando atingir tal objetivo utilizou-se a tecnologia de Redes Virtuais, que permite uma adesão incremental de suas funcionalidades, protocolos e aplicações. Esta abordagem não representa, portanto, um modelo cujas mudanças à arquitetura da Internet causam-lhe transformações estruturais, diferentemente de outras propostas que abordaram este problema desta forma sem sucesso [2; 3]. Para tanto, uma taxonomia de Redes Virtuais foi proposta e avaliada por um estudo de caso que compreendeu a sua aplicação prática. Além disso, realizou-se uma análise de bancada de redes de diversos protocolos e o estudo das propostas da literatura associada. Tais realizações culminaram na proposta de uma Arquitetura de Nomeação para a Internet utilizando Redes Virtuais Overlay.

O objetivo desta dissertação é avaliar o desempenho de ambientes virtuais de roteamento construídos sobre máquinas x86 e dispositivos de rede existentes na Internet atual. Entre as plataformas de virtualização mais utilizadas, deseja-se identificar quem melhor atende aos requisitos de um ambiente virtual de roteamento para permitir a programação do núcleo de redes de produção. As plataformas de virtualização Xen e KVM foram instaladas em servidores x86 modernos de grande capacidade, e comparadas quanto a eficiência, flexibilidade e capacidade de isolamento entre as redes, que são os requisitos para o bom desempenho de uma rede virtual. Os resultados obtidos nos testes mostram que, apesar de ser uma plataforma de virtualização completa, o KVM possui desempenho melhor que o do Xen no encaminhamento e roteamento de pacotes, quando o VIRTIO é utilizado. Além disso, apenas o Xen apresentou problemas de isolamento entre redes virtuais. Também avaliamos o efeito da arquitetura NUMA, muito comum em servidores x86 modernos, sobre o desempenho das VMs quando muita memória e núcleos de processamento são alocados nelas. A análise dos resultados mostra que o desempenho das operações de Entrada e Saída (E/S) de rede pode ser comprometido, caso as quantidades de memória e CPU virtuais alocadas para a VM não respeitem o tamanho dos nós NUMA existentes no hardware. Por último, estudamos o OpenFlow. Ele permite que redes sejam segmentadas em roteadores, comutadores e em máquinas x86 para que ambientes virtuais de roteamento com lógicas de encaminhamento diferentes possam ser criados. Verificamos que ao ser instalado com o Xen e com o KVM, ele possibilita a migração de redes virtuais entre diferentes nós físicos, sem que ocorram interrupções nos fluxos de dados, além de permitir que o desempenho do encaminhamento de pacotes nas redes virtuais criadas seja aumentado. Assim, foi possível programar o núcleo da rede para implementar alternativas ao protocolo IP. / The aim of this work is to evaluate the performance of routing virtual environments built on x86 machines and network devices existing on the Internet today. Among the most widely used virtualization platforms, we want to identify which best meets the requirements of a virtual routing to allow programming of the core production networks. Virtualization platforms Xen and KVM were installed on modern large capacity x86 machines, and they were compared for efficiency, flexibility and isolation between networks, which are the requirements for good performance of a virtual network. The tests results show that, despite being a full virtualization platform, KVM has better performance than Xen in forwarding and routing packets when the VIRTIO is used. Furthermore, only Xen had isolation problems between networks. We also evaluate the effect of the NUMA architecture, very common in modern x86 servers, on the performance of VMs when lots of memory and processor cores are allocated to them. The results show that Input and Output (I/O) network performance can be compromised whether the amounts of virtual memory and CPU allocated to VM do not respect the size of the existing hardware NUMA nodes. Finally, we study the OpenFlow. It allows slicing networks into routers, switches and x86 machines to create virtual environments with different routing forwarding rules. We found that, when installed with Xen and KVM, it enables the migration of virtual networks among different physical nodes, without interruptions in the data streams, and allows to increase the performance of packet forwarding in the virtual networks created. Thus, it was possible to program the core network to implement alternatives to IP protocol.

A Virtualização de Funções de Rede (NFV – Network Function Virtualization) é um novo conceito arquitetural que está remodelando a operação de funções de rede (e.g., firewall, gateways e proxies). O conceito principal de NFV consiste em desacoplar a lógica de funções de rede dos dispositivos de hardware especializados e, desta forma, permite a execução de imagens de software sobre hardware de prateleira (COTS – Commercial Off-The-Shelf). NFV tem o potencial para tornar a operação das funções de rede mais flexíveis e econômicas, primordiais em ambientes onde o número de funções implantadas pode chegar facilmente à ordem de centenas. Apesar da intensa atividade de pesquisa na área, o problema de posicionar e encadear funções de rede virtuais (VNF – Virtual Network Functions) de maneira escalável e com baixo custo ainda apresenta uma série de limitações. Mais especificamente, as estratégias existentes na literatura negligenciam o aspecto de encadeamento de VNFs (i.e., objetivam sobretudo o posicionamento), não escalam para o tamanho das infraestruturas NFV (i.e., milhares de nós com capacidade de computação) e, por último, baseiam a qualidade das soluções obtidas em custos operacionais não representativos. Nesta tese, aborda-se o posicionamento e o encadeamento de funções de rede virtualizadas (VNFPC – Virtual Network Function Placement and Chaining) como um problema de otimização no contexto intra- e inter-datacenter. Primeiro, formaliza-se o problema VNFPC e propõe-se um modelo de Programação Linear Inteira (ILP) para resolvêlo. O objetivo consiste em minimizar a alocação de recursos, ao mesmo tempo que atende aos requisitos e restrições de fluxo de rede. Segundo, aborda-se a escalabilidade do problema VNFPC para resolver grandes instâncias do problema (i.e., milhares de nós NFV). Propõe-se um um algoritmo heurístico baseado em fix-and-optimize que incorpora a meta-heurística Variable Neighborhood Search (VNS) para explorar eficientemente o espaço de solução do problema VNFPC. Terceiro, avalia-se as limitações de desempenho e os custos operacionais de estratégias típicas de aprovisionamento ambientes reais de NFV. Com base nos resultados empíricos coletados, propõe-se um modelo analítico que estima com alta precisão os custos operacionais para requisitos de VNFs arbitrários. Quarto, desenvolve-se um mecanismo para a implantação de encadeamentos de VNFs no contexto intra-datacenter. O algoritmo proposto (OCM – Operational Cost Minimization) baseia-se em uma extensão da redução bem conhecida do problema de emparelhamento ponderado (i.e., weighted perfect matching problem) para o problema de fluxo de custo mínimo (i.e., min-cost flow problem) e considera o desempenho das VNFs (e.g., requisitos de CPU), bem como os custos operacionais estimados. Os resultados alcaçados mostram que o modelo ILP proposto para o problema VNFPC reduz em até 25% nos atrasos fim-a-fim (em comparação com os encadeamentos observados nas infra-estruturas tradicionais) com um excesso de provisionamento de recursos aceitável – limitado a 4%. Além disso, os resultados evidenciam que a heurística proposta (baseada em fix-and-optimize) é capaz de encontrar soluções factíveis de alta qualidade de forma eficiente, mesmo em cenários com milhares de VNFs. Além disso, provê-se um melhor entendimento sobre as métricas de desempenho de rede (e.g., vazão, consumo de CPU e capacidade de processamento de pacotes) para as estratégias típicas de implantação de VNFs adotadas infraestruturas NFV. Por último, o algoritmo proposto no contexto intra-datacenter (i.e. OCM) reduz significativamente os custos operacionais quando comparado aos mecanismos de posicionamento típicos uti / Network Function Virtualization (NFV) is a novel concept that is reshaping the middlebox arena, shifting network functions (e.g. firewall, gateways, proxies) from specialized hardware appliances to software images running on commodity hardware. This concept has potential to make network function provision and operation more flexible and cost-effective, paramount in a world where deployed middleboxes may easily reach the order of hundreds. Despite recent research activity in the field, little has been done towards scalable and cost-efficient placement & chaining of virtual network functions (VNFs) – a key feature for the effective success of NFV. More specifically, existing strategies have neglected the chaining aspect of NFV (focusing on efficient placement only), failed to scale to hundreds of network functions and relied on unrealistic operational costs. In this thesis, we approach VNF placement and chaining as an optimization problem in the context of Inter- and Intra-datacenter. First, we formalize the Virtual Network Function Placement and Chaining (VNFPC) problem and propose an Integer Linear Programming (ILP) model to solve it. The goal is to minimize required resource allocation, while meeting network flow requirements and constraints. Then, we address scalability of VNFPC problem to solve large instances (i.e., thousands of NFV nodes) by proposing a fixand- optimize-based heuristic algorithm for tackling it. Our algorithm incorporates a Variable Neighborhood Search (VNS) meta-heuristic, for efficiently exploring the placement and chaining solution space. Further, we assess the performance limitations of typical NFV-based deployments and the incurred operational costs of commodity servers and propose an analytical model that accurately predict the operational costs for arbitrary service chain requirements. Then, we develop a general service chain intra-datacenter deployment mechanism (named OCM – Operational Cost Minimization) that considers both the actual performance of the service chains (e.g., CPU requirements) as well as the operational incurred cost. Our novel algorithm is based on an extension of the well-known reduction from weighted matching to min-cost flow problem. Finally, we tackle the problem of monitoring service chains in NFV-based environments. For that, we introduce the DNM (Distributed Network Monitoring) problem and propose an optimization model to solve it. DNM allows service chain segments to be independently monitored, which allows specialized network monitoring requirements to be met in a efficient and coordinated way. Results show that the proposed ILP model for the VNFPC problem leads to a reduction of up to 25% in end-to-end delays (in comparison to chainings observed in traditional infrastructures) and an acceptable resource over-provisioning limited to 4%. Also, we provide strong evidences that our fix-and-optimize based heuristic is able to find feasible, high-quality solutions efficiently, even in scenarios scaling to thousands of VNFs. Further, we provide indepth insights on network performance metrics (such as throughput, CPU utilization and packet processing) and its current limitations while considering typical deployment strategies. Our OCM algorithm reduces significantly operational costs when compared to the de-facto standard placement mechanisms used in Cloud systems. Last, our DNM model allows finer grained network monitoring with limited overheads. By coordinating the placement of monitoring sinks and the forwarding of network monitoring traffic, DNM can reduce the number of monitoring sinks and the network resource consumption (54% lower than a traditional method).

Submitted by Haroudo Xavier Filho (haroudo.xavierfo@ufpe.br) on 2016-04-06T17:23:43Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Andson_M_Balieiro_PhDThesis_ComputerScience_2015.pdf: 2709720 bytes, checksum: 2432ca198603426dffdf0ce2f34f3162 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-06T17:23:43Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Andson_M_Balieiro_PhDThesis_ComputerScience_2015.pdf: 2709720 bytes, checksum: 2432ca198603426dffdf0ce2f34f3162 (MD5) Previous issue date: 2015-08-28 / FACEPE / The wireless technologies are progressing at a rapid pace such that the future of digital communication will be dominated by a dense, ubiquitous and heterogeneous wireless network. Along with this, there is a growing demand for wireless services with different requirements. In this respect, the management of this complex wireless ecosystem becomes challenging, and the wireless virtualization is pointed as an efficient solution to perform it, where different virtual wireless networks can be created, sharing and running on the same wireless infrastructure, and providing differentiated services to users. However, to satisfy the high demand for mobile communications, it is necessary the availability of a natural and scarce resource, the electromagnetic spectrum. Although the insertion of virtualization in wireless networks provides better resources utilization, the current approaches to employ the wireless virtualization can cause resource underutilization. To overcome this underutilization and enable that new wireless virtual networks can be deployed, the wireless virtualization can be combined with the cognitive radio technology and dynamic spectrum access (DSA) techniques in order to achieve the deepest level of wireless virtualization and to improve the resource utilization through the deployment of opportunistic resource sharing. Thus, virtual wireless networks with different access priorities to the resources (e.g. primary and secondary) can be deployed in an overlay form, sharing the same substrate wireless network, where the secondary virtual network (SVN) accesses the resources only when the primary one (PVN) is not using them. However, this new scenario brings new challenges: from the mapping to operation of these networks. The SVN mapping is a NP-hard problem and presents some constraints and objectives related to both PVNs and SVNs. Achieving all objectives simultaneously is a challenging process. This thesis addresses the SVNs mapping problem onto substrate network considering the existence of the PVNs on the same substrate network. It discloses the environment composed by these networks, denoted as cognitive radio virtual network environment (CRVNE), models this environment by using a M/M/N/N queue with preemptive and priority service, and delineates a multi-objective problem formulation for the SVNs mapping. Moreover, a scheme based on Genetic Algorithms to solve the SVNs mapping problem is proposed and evaluated in terms of collision, secondary user (SU) dropping, and SU blocking probabilities, and joint utilization, achieving better results than other based on the First-Fit strategy. / Recentemente, as tecnologias sem fio estão progredindo rapidamente de modo que o futuro da comunicação digital será dominado por uma rede sem fio densa, ubíqua e heterogênea. Adicionado a isso, existe uma demanda crescente por serviços sem fio com diferentes requisitos. Neste aspecto, o gerenciamento deste ecossistema complexo se tona desafiador e a virtualização sem fio é apontada como uma solução eficiente para realizá-lo, onde redes virtuais sem fio diferentes podem ser criadas, compartilhando e executando sobre a mesma infraestrutura de rede sem fio e provendo serviços diferenciados aos usuários. Entretanto, para satisfazer à alta demanda por comunicação móvel é necessária a disponibilidade de um recurso natural e escasso, o espectro eletromagnético. Embora a inserção de virtualização em redes sem fio forneça maior utilização dos recursos, as abordagens atuais para empregar a virtualização sem fio podem causar subutilização de recursos. Para superar esta subutilização, a virtualização sem fio pode ser combinada com a tecnologia de rádio cognitivo e técnicas de acesso dinâmico ao espectro (DSA) para alcançar o mais profundo nível de virtualização sem fio e melhorar a utilização de recursos através do compartilhamento oportunista deles. Assim, redes virtuais sem fio com diferentes prioridades de acesso aos recursos (ex. primária e secundária) podem ser implantadas sobrepostas, compartilhando a mesma infraestrutura de rede sem fio, onde as redes virtuais secundárias (SVNs) acessam os recursos somente quando as redes virtuais primárias (PVNs) não os estiverem utilizando. Entretanto, este novo cenário traz novos desafios, desde o mapeamento até a operação destas redes. O mapeamento de SVNs é um problema NP-difícil e apresenta restrições e objetivos relacionados tanto às PVNs quanto às SVNs. Alcançar todos os objetivos simultaneamente é um processo desafiador. Esta tese aborda o problema de mapeamento de SVNs em redes de substrato considerando a existência de PVNs na mesma rede de substrato. Ela apresenta o ambiente de redes virtuais de rádio cognitivo (CRVNE), modela este ambiente utilizando uma fila M/M/N/N preemptiva e com prioridade e delineia uma formulação multiobjetivo para o mapeamento de SVNs. Além disso, um esquema baseado em Algoritmos Genéticos (GA) para resolver o problema de mapeamento de SVNs é proposto e avaliado em termos das probabilidades de colisão, descarte de usuário secundário (US), bloqueio de US e utilização conjunta, alcançando melhores resultados do que um esquema baseado na estratégia First-Fit.