Made available in DSpace on 2016-06-02T19:06:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6215.pdf: 2705931 bytes, checksum: f13134b07bf961a0e166ae8f6fdc0bf0 (MD5) Previous issue date: 2014-02-27 / Financiadora de Estudos e Projetos / During the last decade, the advent of large scale processing and the need for rapid modification of computational structures have increased the popularity of Cloud Computing, particularly the Infrastructure as a Service model. Several companies have invested in infrastructure to become providers of this kind of service, whether for general public or only to supply their own business needs. This has increased the number of virtualized datacenters across the world and created a growing interest in interoperability between different providers. However, due to the lack of technology standardization, and to limitations in the current network s architecture, this interoperability is still an issue. Based on this, this research project presents an OpenFlow based network flow redirection architecture to support service continuity during the migration of applications between different IaaS providers. The tests performed show the applicability of the proposed architecture in a real network environment, having control only of the network edges, and without setting up any specific hardware. / Durante a ultima década, o advento do processamento em larga escala e a necessidade de rápida modificação de estruturas computacionais fez com que a computação em nuvem se popularizasse, em particular na forma de aprovisionamento de Infraestrutura como Serviço. Diversas companhias investiram em infraestrutura para se tornarem provedores desse tipo de serviço, seja para o publico ou para proverem recursos para seus próprios negócios. Isto aumentou o numero de centros de dados virtualizados e gerou o interesse na interoperabilidade entre os diferentes provedores. Entretanto, devido a falta de padronização de tecnologias, e devido a limitações na arquitetura das redes atuais, essa interoperabilidade ainda e um assunto em aberto. Com base nisso, o presente trabalho apresenta uma arquitetura de redirecionamento de fluxos de rede baseada em OpenFlow para o suporte a continuidade de serviço durante a migração de aplicações entre diferentes provedores de IaaS. Os testes realizados comprovam sua aplicabilidade em um cenário real, controlando apenas as bordas da rede, e sem a instalação de nenhum hardware específico.

Submitted by Patrícia Cerveira (pcerveira1@gmail.com) on 2017-06-07T20:29:49Z No. of bitstreams: 1 Henrique_Fernandes Dissertação.pdf: 2826928 bytes, checksum: f7388a5396e90a8444a4aac05feada53 (MD5) / Approved for entry into archive by Biblioteca da Escola de Engenharia (bee@ndc.uff.br) on 2017-07-03T14:05:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Henrique_Fernandes Dissertação.pdf: 2826928 bytes, checksum: f7388a5396e90a8444a4aac05feada53 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-03T14:05:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Henrique_Fernandes Dissertação.pdf: 2826928 bytes, checksum: f7388a5396e90a8444a4aac05feada53 (MD5) / Os Sistemas de Detecção e Prevenção de Intrusão são fundamentais para a segurança da rede de computadores, inspecionar o tráfego da rede em tempo real em busca de intrusos para garantir uma rede confiável é um dos seus papéis. Porém a falta de integração com os ativos da rede é um dos principais fatores que limitam sua atuação. O conceito de Redes Definidas por Software visa diminuir a falta de integração entre os ativos de rede devido a separação do plano de dados do plano de controle. Diante da limitação da integração entre os ativos de redes e os Sistemas de Detecção e Prevenção de Intrusão, o presente estudo propõe, desenvolve e demonstra o IDSFlow, um modelo de integração de sistemas de detecção de intrusão em redes definidas por software. Para validar o IDSFlow, foram realizados testes utilizando o Openflow, o Mininet, CPqD e o Snort. Os resultados obtidos pelos algorítimos desenvolvidos e apresentados mostram a capacidade de integração proposta, é possível verificar a viabilidade de utilizar as regras já existentes e funcionais para o Snort assim como utilizar o histórico de utilização da rede para aumentar a efetividade da detecção e dos bloqueios de intrusos. / Intrusion Detection and Prevention Systems are fundamental to the network security, to inspect the traffic in real time seeking intruders to ensure a reliable network is one of it’s roles. However the lack of integration between the network equipments, is one of the biggest factors to limit its operations. The concept of Software Defined Networks aims to reduce the lack of integration among network assets due to the separation of the data plan from the control plan. Given the limitation of integration between networks assets and Intrusion Detection and Prevention Systems, the present study proposes, develops and demonstrates IDSFlow, an integration model of intrusion detection systems in softwaredefined networks. To validate IDSFlow, tests were run using Openflow, Mininet, CPqD and Snort. The results obtained by the algorithms developed and presented show the proposed integration capacity, it is possible to verify the feasibility of using the existing and functional rules for Snort as well as to use the network usage history to increase the effectiveness of intrusion detection and block.

Innovations in optical communication are expected to transform the landscape of global communications, internet and datacenter networks. This dissertation investigates several important issues in optical communication such as fairness, throughput, blocking probability and differentiated quality of service (QoS). Novel algorithms and new approaches have been presented to improve the performance of optical circuit switching (OCS) and optical burst switching (OBS) for long haul, and datacenter networks. Extensive simulations tests have been conducted to evaluate the effectiveness of the proposed algorithms. These simulation tests were performed over a number of network topologies such as ring, mesh and U.S. Long-Haul, some high processing computing (HPC) topologies such as 2D and 6D mesh torus topologies and modern datacenter topologies such as FatTree and BCube. Two new schemes are proposed for long haul networks to improve throughput and hop count fairness in OBS networks. The idea is motivated by the observation that providing a slightly more priority to longer bursts over short bursts can significantly improve the throughput of the OBS networks without adversely affecting hop-count fairness. The results of extensive performance tests have shown that proposed schemes improve the throughput of optical OBS networks and enhance the hop-count fairness. Another contribution of this dissertation is the research work on developing routing and wavelength assignment schemes in multimode fiber networks. Two additional schemes for long haul networks are presented and evaluated over multimode fiber networks. First for alleviating the fairness problem in OBS networks using wavelength-division multiplexing as well as mode-division multiplexing while the second scheme for achieving higher throughput without sacrificing hop count fairness. We have also shown the significant benefits of using both mode division multiplexing and wavelength division multiplexing in real-life short-distance optical networks such as the optical circuit switching networks used in the hybrid electronic-optical switching architectures for datacenters. We evaluated four mode and wavelength assignment heuristics and compared their throughput performance. We also included preliminary results of impact of the cascaded mode conversion constraint on network throughput. Datacenter and high performance computing networks share a number of common performance goals. Another highly efficient adaptive mode wavelength- routing algorithm is presented over OBS networks to improve throughput of these networks. The effectiveness of the proposed model has been validated by extensive simulation results. In order to optimize bandwidth and maximize throughput of datacenters, an extension of TCP called multipath-TCP (MPTCP) has been evaluated over an OBS network using dense interconnect datacenter topologies. We have proposed a service differentiation scheme using MPTCP over OBS for datacenter traffic. The scheme is evaluated over mixed workload traffic model of datacenters and is shown to provide tangible service differentiation between flows of different priority levels. An adaptive QoS differentiation architecture is proposed for software defined optical datacenter networks using MPTCP over OBS. This scheme prioritizes flows based on current network state.

[ES] La presente tesis aborda el problema del encaminamiento en las redes definidas por software (SDN). Específicamente, aborda el problema del diseño de un protocolo de encaminamiento basado en inteligencia artificial (AI) para garantizar la calidad de servicio (QoS) en transmisiones multimedia. En la primera parte del trabajo, el concepto de SDN es introducido. Su arquitectura, protocolos y ventajas son comentados. A continuación, el estado del arte es presentado, donde diversos trabajos acerca de QoS, encaminamiento, SDN y AI son detallados. En el siguiente capítulo, el controlador SDN, el cual juega un papel central en la arquitectura propuesta, es presentado. Se detalla el diseño del controlador y se compara su rendimiento con otro controlador comúnmente utilizado. Más tarde, se describe las propuestas de encaminamiento. Primero, se aborda la modificación de un protocolo de encaminamiento tradicional. Esta modificación tiene como objetivo adaptar el protocolo de encaminamiento tradicional a las redes SDN, centrado en las transmisiones multimedia. A continuación, la propuesta final es descrita. Sus mensajes, arquitectura y algoritmos son mostrados. Referente a la AI, el capítulo 5 detalla el módulo de la arquitectura que la implementa, junto con los métodos inteligentes usados en la propuesta de encaminamiento. Además, el algoritmo inteligente de decisión de rutas es descrito y la propuesta es comparada con el protocolo de encaminamiento tradicional y con su adaptación a las redes SDN, mostrando un incremento de la calidad final de la transmisión. Finalmente, se muestra y se describe algunas aplicaciones basadas en la propuesta. Las aplicaciones son presentadas para demostrar que la solución presentada en la tesis está diseñada para trabajar en redes heterogéneas. / [CA] La present tesi tracta el problema de l'encaminament en les xarxes definides per programari (SDN). Específicament, tracta el problema del disseny d'un protocol d'encaminament basat en intel·ligència artificial (AI) per a garantir la qualitat de servici (QoS) en les transmissions multimèdia. En la primera part del treball, s'introdueix les xarxes SDN. Es comenten la seva arquitectura, els protocols i els avantatges. A continuació, l'estat de l'art és presentat, on es detellen els diversos treballs al voltant de QoS, encaminament, SDN i AI. Al següent capítol, el controlador SDN, el qual juga un paper central a l'arquitectura proposta, és presentat. Es detalla el disseny del controlador i es compara el seu rendiment amb altre controlador utilitzat comunament. Més endavant, es descriuen les propostes d'encaminament. Primer, s'aborda la modificació d'un protocol d'encaminament tradicional. Aquesta modificació té com a objectiu adaptar el protocol d'encaminament tradicional a les xarxes SDN, centrat a les transmissions multimèdia. A continuació, la proposta final és descrita. Els seus missatges, arquitectura i algoritmes són mostrats. Pel que fa a l'AI, el capítol 5 detalla el mòdul de l'arquitectura que la implementa, junt amb els mètodes intel·ligents usats en la proposta d'encaminament. A més a més, l'algoritme intel·ligent de decisió de rutes és descrit i la proposta és comparada amb el protocol d'encaminament tradicional i amb la seva adaptació a les xarxes SDN, mostrant un increment de la qualitat final de la transmissió. Finalment, es mostra i es descriuen algunes aplicacions basades en la proposta. Les aplicacions són presentades per a demostrar que la solució presentada en la tesi és dissenyada per a treballar en xarxes heterogènies. / [EN] This thesis addresses the problem of routing in Software Defined Networks (SDN). Specifically, the problem of designing a routing protocol based on Artificial Intelligence (AI) for ensuring Quality of Service (QoS) in multimedia transmissions. In the first part of the work, SDN is introduced. Its architecture, protocols and advantages are discussed. Then, the state of the art is presented, where several works regarding QoS, routing, SDN and AI are detailed. In the next chapter, the SDN controller, which plays the central role in the proposed architecture, is presented. The design of the controller is detailed and its performance compared to another common controller. Later, the routing proposals are described. First, a modification of a traditional routing protocol is discussed. This modification intends to adapt a traditional routing protocol to SDN, focused on multimedia transmissions. Then, the final proposal is described. Its messages, architecture and algorithms are depicted. As regards AI, chapter 5 details the module of the architecture that implements it, along with all the intelligent methods used in the routing proposal. Furthermore, the intelligent route decision algorithm is described and the final proposal is compared to the traditional routing protocol and its adaptation to SDN, showing an increment of the end quality of the transmission. Finally, some applications based on the routing proposal are described. The applications are presented to demonstrate that the proposed solution can work with heterogeneous networks. / Rego Máñez, A. (2020). Intelligent multimedia flow transmission through heterogeneous networks using cognitive software defined networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160483

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

La tendance à la numérisation de nombreux secteurs industriels tels que l’automobile, l’agriculture, les transports, la gestion urbaine, etc. révèle la nécessité de nouveaux usages des services de communication point-à-multipoint, tels que la fourniture massive de mises à jour logicielles et livraison fiable de messages d’alerte à la population, etc. D’un autre côté, la mise en logiciel des réseaux de nouvelle génération, avec notamment l’adoption croissante des réseaux définis par logiciel (SDN), apporte au réseau la flexibilité et les capacités de programmation permettant de prendre en charge des services de distribution point-à-multipoint de manière rentable. Cette thèse contribue au problème général de la fourniture de services de communication point-à-multipoint avec des exigences de qualité de service (QoS) dans un réseau SDN multi-domaines. Il considère également que certains des domaines sont des réseaux multi-sauts sans-fil. Tout d’abord, une technique d’agrégation de topologie de domaine basée sur une arborescence de Steiner, combinée à un algorithme heuristique d’allocation de ressources, sont proposés pour prendre en charge des services point-à-multipoint couvrant plusieurs domaines. Ensuite, un service de découverte de topologie générique est proposé pour les réseaux multi-sauts sans-fil basés sur le SDN afin de permettre au contrôleur SDN de créer et de gérer une vue complète du réseau avec divers attributs de nœud et de liaison sans-fil. Le contrôleur peut alors exposer des vues personnalisées aux applications de contrôle du réseau, telles que, par exemple, l’application en charge de la fourniture de services point-à-multipoint sur un réseau multi-sauts sans-fil basé sur le paradigme SDN. Un algorithme basé sur la programmation linéaire en nombres entiers et un algorithme génétique sont également proposés pour l’allocation de liens virtuels point-à-multipoint sur un réseau sans-fil multi-radio, multi-canaux et multi-sauts basé sur SDN. Enfin, pour traiter le cas des services dynamiques point-à-multipoint, nous proposons un schéma de réallocation de ressources qui répond aux exigences changeantes tout en réduisant les interuptions de service. / The movement towards the digitalization of many industry sectors such as automotive, agriculture, transportation, city management, etc. is revealing the need for novel usages of point-to-multipoint network delivery services, such as massive delivery of software updates to objects, secure and reliable delivery of alert messages to population, etc. On another side, the softwarization of next generation networks, with amongst, the increasing adoption of Software Defined Networks (SDN) is bringing to the network the flexibility and programming capabilities that enable the support of point-to-multipoint delivery services in an efficient and cost-effective way. This PhD work contributes to the general problem of providing point-tomultipoint delivery services with Quality of Service (QoS) requirements in a multidomain SDN network. It also considers that some of the domains are wireless multi hop networks. First, a Steiner tree based network domain topology aggregation combined with a resource allocation heuristic algorithm is proposed to support point-to-multipoint delivery services that span multiple domains. Then, a generic topology discovery service is proposed for SDN based wireless multi-hop networks to let the SDN controller build and maintain a comprehensive view of the network with various node and wireless link attributes. From there, customized views can be exposed by the controller to network control applications, as, for instance, the application in charge of provisioning point-to-multipoint services on a SDN based wireless multi-hop network. An Integer linear programming based algorithm and a genetic algorithm are also proposed for the embedding of point-to-multipoint services on a SDN based multi-radio, multi-channel and multi-hop wireless network. Last, to address the case of dynamic point-to-multipoint services, we propose a resource reallocation scheme that meets the changing requirements while reducing service disruption.

En la actualidad, la Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) es una tecnología esencial para la próxima generación de sistemas inalámbricos. La conectividad es la base de IoT, y el tipo de acceso requerido dependerá de la naturaleza de la aplicación. Uno de los principales facilitadores del entorno IoT es la comunicación machine-to-machine (M2M) y, en particular, su enorme potencial para ofrecer conectividad ubicua entre dispositivos inteligentes. Las redes celulares son la elección natural para las aplicaciones emergentes de IoT y M2M. Un desafío importante en las redes celulares es conseguir que la red sea capaz de manejar escenarios de acceso masivo en los que numerosos dispositivos utilizan comunicaciones M2M. Por otro lado, los sistemas celulares han experimentado un tremendo desarrollo en las últimas décadas: incorporan tecnología sofisticada y nuevos algoritmos para ofrecer una amplia gama de servicios. El modelado y análisis del rendimiento de estas redes multiservicio es también una tarea desafiante que podría requerir un gran esfuerzo computacional. Para abordar los desafíos anteriores, nos centramos en primer lugar en el diseño y la evaluación de las prestaciones de nuevos mecanismos de control de acceso para hacer frente a las comunicaciones masivas M2M en redes celulares. Posteriormente nos ocupamos de la evaluación de prestaciones de redes multiservicio y proponemos una nueva técnica analítica que ofrece precisión y eficiencia computacional. Nuestro principal objetivo es proporcionar soluciones para aliviar la congestión en la red de acceso radio cuando un gran número de dispositivos M2M intentan conectarse a la red. Consideramos los siguientes tipos de escenarios: (i) los dispositivos M2M se conectan directamente a las estaciones base celulares, y (ii) forman grupos y los datos se envían a concentradores de tráfico (gateways) que les proporcionan acceso a la infraestructura. En el primer escenario, dado que el número de dispositivos añadidos a la red aumenta continuamente, esta debería ser capaz de manejar el considerable incremento en las solicitudes de acceso. El 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha propuesto el access class barring (ACB) como una solución práctica para el control de congestión en la red de acceso radio y la red troncal. El ajuste correcto de los parámetros de ACB de acuerdo con la intensidad del tráfico es crítico, pero cómo hacerlo de forma dinámica y autónoma es un problema complejo cuya solución no está recogida en las especificaciones del 3GPP. Esta tesis doctoral contribuye al análisis del rendimiento y al diseño de nuevos algoritmos que implementen efectivamente este mecanismo, y así superar los desafíos introducidos por las comunicaciones masivas M2M. En el segundo escenario, dado que la heterogeneidad de los dispositivos IoT y las arquitecturas celulares basadas en hardware imponen desafíos aún mayores para permitir una comunicación flexible y eficiente en los sistemas inalámbricos 5G, esta tesis doctoral también contribuye al diseño de software-defined gateways (SD-GWs) en una nueva arquitectura propuesta para redes inalámbricas definidas por software que se denomina SoftAir. Esto permite manejar tanto un gran número de dispositivos como el volumen de datos que estarán vertiendo en la red. Otra contribución de esta tesis doctoral es la propuesta de una técnica novedosa para el análisis de prestaciones de redes multiservicio de alta capacidad que se basa en un nuevo enfoque del modelizado analítico de sistemas que operan a diferentes escalas temporales. Este enfoque utiliza el análisis del transitorio de una serie de subcadenas absorbentes y lo denominamos absorbing Markov chain approximation (AMCA). Nuestros resultados muestran que para un coste computacional dado, AMCA calcula los parámetros de prestaciones habituales de un sistema con mayor precisión, en comparación con los resultados obtenidos por otr / Nowadays, Internet of Things (IoT) is an essential technology for the upcoming generation of wireless systems. Connectivity is the foundation for IoT, and the type of access required will depend on the nature of the application. One of the leading facilitators of the IoT environment is machine-to-machine (M2M) communication, and particularly, its tremendous potential to offer ubiquitous connectivity among intelligent devices. Cellular networks are the natural choice for emerging IoT and M2M applications. A major challenge in cellular networks is to make the network capable of handling massive access scenarios in which myriad devices deploy M2M communications. On the other hand, cellular systems have seen a tremendous development in recent decades; they incorporate sophisticated technology and algorithms to offer a broad range of services. The modeling and performance analysis of these large multi-service networks is also a challenging task that might require high computational effort. To address the above challenges, we first concentrate on the design and performance evaluation of novel access control schemes to deal with massive M2M communications. Then, we focus on the performance evaluation of large multi-service networks and propose a novel analytical technique that features accuracy and computational efficiency. Our main objective is to provide solutions to ease the congestion in the radio access or core network when massive M2M devices try to connect to the network. We consider the following two types of scenarios: (i) massive M2M devices connect directly to cellular base stations, and (ii) they form clusters and the data is forwarded to gateways that provide them with access to the infrastructure. In the first scenario, as the number of devices added to the network is constantly increasing, the network should handle the considerable increment in access requests. Access class barring (ACB) is proposed by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) as a practical congestion control solution in the radio access and core network. The proper tuning of the ACB parameters according to the traffic intensity is critical, but how to do so dynamically and autonomously is a challenging task that has not been specified. Thus, this dissertation contributes to the performance analysis and optimal design of novel algorithms to implement effectively this barring scheme and overcome the challenges introduced by massive M2M communications. In the second scenario, since the heterogeneity of IoT devices and the hardware-based cellular architectures impose even greater challenges to enable flexible and efficient communication in 5G wireless systems, this dissertation also contributes to the design of software-defined gateways (SD-GWs) in a new architecture proposed for wireless software-defined networks called SoftAir. The deployment of these SD-GWs represents an alternative solution aiming at handling both a vast number of devices and the volume of data they will be pouring into the network. Another contribution of this dissertation is to propose a novel technique for the performance analysis of large multi-service networks. The underlying complexity of the network, particularly concerning its size and the ample range of configuration options, makes the solution of the analytical models computationally costly. However, a typical characteristic of these networks is that they support multiple types of traffic flows operating at different time-scales. This time-scale separation can be exploited to reduce considerably the computational cost associated to determine the key performance indicators. Thus, we propose a novel analytical modeling approach based on the transient regime analysis, that we name absorbing Markov chain approximation (AMCA). For a given computational cost, AMCA finds common performance indicators with greater accuracy, when compared to the results obtained by other approximate methods proposed in the literature. / En l'actualitat, la Internet de les Coses (Internet of Things, IoT) és una tecnologia essencial per a la propera generació de sistemes sense fil. La connectivitat és la base d'IoT, i el tipus d'accés requerit dependrà de la naturalesa de l'aplicació. Un dels principals facilitadors de l'entorn IoT és la comunicació machine-to-machine (M2M) i, en particular, el seu enorme potencial per oferir connectivitat ubiqua entre dispositius intel · ligents. Les xarxes mòbils són l'elecció natural per a les aplicacions emergents de IoT i M2M. Un desafiament important en les xarxes mòbils que actualment está rebent molta atenció és aconseguir que la xarxa siga capaç de gestionar escenaris d'accés massiu en què una gran quantitat de dispositius utilitzen comunicacions M2M. D'altra banda, els sistemes mòbils han experimentat un gran desenvolupament en les últimes dècades: incorporen tecnologia sofisticada i nous algoritmes per oferir una àmplia gamma de serveis. El modelatge i análisi del rendiment d'aquestes xarxes multiservei és també un desafiament important que podria requerir un gran esforç computacional. Per abordar els desafiaments anteriors, en aquesta tesi doctoral ens centrem en primer lloc en el disseny i l'avaluació de les prestacions de nous mecanismes de control d'accés per fer front a les comunicacions massives M2M en xarxes cel · lulars. Posteriorment ens ocupem de l'avaluació de prestacions de xarxes multiservei i proposem una nova tècnica analítica que ofereix precisió i eficiència computacional. El nostre principal objectiu és proporcionar solucions per a alleujar la congestió a la xarxa d'accés ràdio quan un gran nombre de dispositius M2M intenten connectar-se a la xarxa. Considerem els dos tipus d'escenaris següents: (i) els dispositius M2M es connecten directament a les estacions base cel · lulars, i (ii) formen grups i les dades s'envien a concentradors de trànsit (gateways) que els proporcionen accés a la infraestructura. En el primer escenari, atès que el nombre de dispositius afegits a la xarxa augmenta contínuament, aquesta hauria de ser capaç de gestionar el considerable increment en les sol · licituds d'accés. El 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha proposat l'access class barring (ACB) com una solució pràctica per al control de congestió a la xarxa d'accès ràdio i la xarxa troncal. L'ajust correcte dels paràmetres d'ACB d'acord amb la intensitat del trànsit és crític, però com fer-ho de forma dinàmica i autònoma és un problema complex, la solució del qual no està recollida en les especificacions del 3GPP. Aquesta tesi doctoral contribueix a l'anàlisi del rendiment i al disseny de nous algoritmes que implementen efectivament aquest mecanisme, i així superar els desafiaments introduïts per les comunicacions massives M2M en les xarxes mòbils actuals i futures. En el segon escenari, atès que l'heterogeneïtat dels dispositius IoT i les arquitectures cel · lulars basades en hardware imposen desafiaments encara més grans per permetre una comunicació flexible i eficient en els sistemes sense fil 5G, aquesta tesi doctoral també contribueix al disseny de software-defined gateways (SD-GWS) en una nova arquitectura proposada per a xarxes sense fils definides per programari que s'anomena SoftAir. Això permet gestionar tant un gran nombre de dispositius com el volum de dades que estaran abocant a la xarxa. Una altra contribució d'aquesta tesi doctoral és la proposta d'una tècnica innovadora per a l'anàlisi de prestacions de xarxes multiservei d'alta capacitat que es basa en un nou enfocament del modelitzat analític de sistemes que operen a diferents escales temporals. Aquest enfocament utilitza l'anàlisi del transitori d'una sèrie de subcadenes absorbents i l'anomenem absorbing Markov chain Approximation (AMCA). Els nostres resultats mostren que per a un cost computacional donat, AMCA calcula els paràmetres de prestacions habituals d / Tello Oquendo, LP. (2018). Design and Performance Analysis of Access Control Mechanisms for Massive Machine-to-Machine Communications in Wireless Cellular Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107946