De nos jours, de nombreuses entreprises choisissent de plus en plus d'adopter le cloud computing. Plus précisément, en tant que clients, elles externalisent la gestion de leur infrastructure physique vers des centres de données (ou plateformes de cloud computing). La consommation d'énergie est une préoccupation majeure pour la gestion des centres de données (datacenter, DC). Son impact financier représente environ 80% du coût total de possession et l'on estime qu'en 2020, les DCs américains dépenseront à eux seuls environ 13 milliards de dollars en factures énergétiques. Généralement, les serveurs de centres de données sont conçus de manière à atteindre une grande efficacité énergétique pour des utilisations élevées. Pour diminuer le coût de calcul, les serveurs de centre de données devraient maximiser leur utilisation. Afin de lutter contre l'utilisation historiquement faible des serveurs, le cloud computing a adopté la virtualisation des serveurs. Cette dernière permet à un serveur physique d'exécuter plusieurs serveurs virtuels (appelés machines virtuelles) de manière isolée. Avec la virtualisation, le fournisseur de cloud peut regrouper (consolider) l'ensemble des machines virtuelles (VM) sur un ensemble réduit de serveurs physiques et ainsi réduire le nombre de serveurs actifs. Même ainsi, les serveurs de centres de données atteignent rarement des utilisations supérieures à 50%, ce qui signifie qu'ils fonctionnent avec des ensembles de ressources majoritairement inutilisées (appelés «trous»). Ma première contribution est un système de gestion de cloud qui divise ou fusionne dynamiquement les machines virtuelles de sorte à ce qu'elles puissent mieux remplir les trous. Cette solution n'est efficace que pour des applications élastiques, c'est-à-dire des applications qui peuvent être exécutées et reconfigurées sur un nombre arbitraire de machines virtuelles. Cependant, la fragmentation des ressources provient d'un problème plus fondamental. On observe que les applications cloud demandent de plus en plus de mémoire, tandis que les serveurs physiques fournissent plus de CPU. Dans les DC actuels, les deux ressources sont fortement couplées puisqu'elles sont liées à un serveur physique. Ma deuxième contribution est un moyen pratique de découpler la paire CPU-mémoire, qui peut être simplement appliquée à n'importe quel serveur. Ainsi, les deux ressources peuvent varier indépendamment, en fonction de leur demande. Ma troisième et ma quatrième contribution montrent un système pratique qui exploite la deuxième contribution. La sous-utilisation observée sur les serveurs physiques existe également pour les machines virtuelles. Il a été démontré que les machines virtuelles ne consomment qu'une petite fraction des ressources allouées car les clients du cloud ne sont pas en mesure d'estimer correctement la quantité de ressources nécessaire à leurs applications. Ma troisième contribution est un système qui estime la consommation de mémoire (c'est-à-dire la taille du working set) d'une machine virtuelle, avec un surcoût faible et une grande précision. Ainsi, nous pouvons maintenant consolider les machines virtuelles en fonction de la taille de leur working set (plutôt que leur mémoire réservée). Cependant, l'inconvénient de cette approche est le risque de famine de mémoire. Si une ou plusieurs machines virtuelles ont une forte augmentation de la demande en mémoire, le serveur physique peut manquer de mémoire. Cette situation n'est pas souhaitable, car la plate-forme cloud est incapable de fournir au client la mémoire qu'il a payée. Finalement, ma quatrième contribution est un système qui permet à une machine virtuelle d'utiliser la mémoire distante fournie par un autre serveur du rack. Ainsi, dans le cas d'un pic de la demande en mémoire, mon système permet à la VM d'allouer de la mémoire sur un serveur physique distant. / Nowadays, many organizations choose to increasingly implement the cloud computing approach. More specifically, as customers, these organizations are outsourcing the management of their physical infrastructure to data centers (or cloud computing platforms). Energy consumption is a primary concern for datacenter (DC) management. Its cost represents about 80% of the total cost of ownership and it is estimated that in 2020, the US DCs alone will spend about $13 billion on energy bills. Generally, the datacenter servers are manufactured in such a way that they achieve high energy efficiency at high utilizations. Thereby for a low cost per computation all datacenter servers should push the utilization as high as possible. In order to fight the historically low utilization, cloud computing adopted server virtualization. The latter allows a physical server to execute multiple virtual servers (called virtual machines) in an isolated way. With virtualization, the cloud provider can pack (consolidate) the entire set of virtual machines (VMs) on a small set of physical servers and thereby, reduce the number of active servers. Even so, the datacenter servers rarely reach utilizations higher than 50% which means that they operate with sets of longterm unused resources (called 'holes'). My first contribution is a cloud management system that dynamically splits/fusions VMs such that they can better fill the holes. This solution is effective only for elastic applications, i.e. applications that can be executed and reconfigured over an arbitrary number of VMs. However the datacenter resource fragmentation stems from a more fundamental problem. Over time, cloud applications demand more and more memory but the physical servers provide more an more CPU. In nowadays datacenters, the two resources are strongly coupled since they are bounded to a physical sever. My second contribution is a practical way to decouple the CPU-memory tuple that can simply be applied to a commodity server. Thereby, the two resources can vary independently, depending on their demand. My third and my forth contribution show a practical system which exploit the second contribution. The underutilization observed on physical servers is also true for virtual machines. It has been shown that VMs consume only a small fraction of the allocated resources because the cloud customers are not able to correctly estimate the resource amount necessary for their applications. My third contribution is a system that estimates the memory consumption (i.e. the working set size) of a VM, with low overhead and high accuracy. Thereby, we can now consolidate the VMs based on their working set size (not the booked memory). However, the drawback of this approach is the risk of memory starvation. If one or multiple VMs have an sharp increase in memory demand, the physical server may run out of memory. This event is undesirable because the cloud platform is unable to provide the client with the booked memory. My fourth contribution is a system that allows a VM to use remote memory provided by a different rack server. Thereby, in the case of a peak memory demand, my system allows the VM to allocate memory on a remote physical server.

Confrontées à l'augmentation des coûts de mise en place et de maintenance des systèmes informatiques, les entreprises se tournent vers des solutions d'externalisation telles que le Cloud Computing. Le Cloud se basent sur la virtualisation comme principale technologie permettant la mutualisation. L'utilisation de la virtualisation apporte de nombreux défis donc les principaux portent sur les performances des applications dans les machines virtuelles (VM) et la prévisibilité de ces performances. Dans un système virtualisé, les ressources matérielles sont partagées entre toutes les VMs du système. Dans le cas du CPU, c'est l'ordonnanceur de l'hyperviseur qui se charge de le partager entre tous les processeurs virtuels (vCPU) des VMs. L'hyperviseur réalise une allocation à temps partagé du CPU entre tous les vCPUs des VMs. Chaque vCPU a accès au CPU périodiquement. Ainsi, les vCPUs des VMs n'ont pas accès de façon continue au CPU, mais plutôt discontinue. Cette discontinuité est à l'origine de nombreux problèmes sur des mécanismes tels que la gestion d'interruption et les mécanismes de synchronisation de bas niveau dans les OS invités. Dans cette thèse, nous proposons deux contributions pour répondre à ces problèmes dans la virtualisation. La première est un nouvel ordonnanceur de l'hyperviseur qui adapte dynamiquement la valeur du quantum dans l'hyperviseur en fonction du type des applications dans les VMs sur une plate-forme multi-coeurs. La seconde contribution est une nouvelle primitive de synchronisation (nommée I-Spinlock) dans l'OS invité. Dans un Cloud fournissant un service du type IaaS, la VM est l'unité d'allocation. Le fournisseur établit un catalogue des types de VMs présentant les différentes quantités de ressources qui sont allouées à la VM vis-à-vis des différents périphériques. Ces ressources allouées à la VM correspondent à un contrat sur une qualité de service négocié par le client auprès du fournisseur. L'imprévisibilité des performances est la conséquence de l'incapacité du fournisseur à garantir cette qualité de service. Deux principales causes sont à l'origine de ce problème dans le Cloud: (i) un mauvais partage des ressources entre les différentes VMs et (ii) l'hétérogénéité des infrastructures dans les centres d'hébergement. Dans cette thèse, nous proposons deux contributions pour répondre au problème d'imprévisibilité des performances. La première contribution s'intéresse au partage de la ressource logicielle responsable de la gestion des pilotes, et propose une approche de facturation du temps CPU utilisé par cette couche logiciel aux VMs. La deuxième contribution s'intéresse à l'allocation du CPU dans les Clouds hétérogènes. Dans cette contribution, nous proposons une approche d'allocation permettant de garantir la capacité de calcul allouée à une VM quelle que soit l'hétérogénéité des CPUs dans l'infrastructure. / As a reaction to the increasing costs of setting up and maintaining IT systems, companies are turning to solutions such as Cloud Computing. Cloud computing is based on virtualization as the main technology for mutualisation. The use of virtualization brings many challenges. The main ones concern the performance of the applications in the virtual machines (VM) and the predictability of these performances. In a virtualized system, hardware resources are shared among all VMs in the system. In the case of the CPU, it is the scheduler of the hypervisor that is in charge of sharing the CPU among all the virtual processors (vCPU) of the VMs. The hypervisor uses a time-sharing approach to allocate the CPU. Each vCPU has access to the CPU periodically. Thus, the vCPU of the VMs do not have continuous access to the CPU, but rather discontinuous. This discontinuity is causing many problems on mechanisms such as interuption handling and low-level synchronization mechanisms in guest OSs. In this thesis, we propose two contributions to address these problems in virtualization. The first is a new hypervisor scheduler that dynamically adapts the quantum value in the hypervisor according to the type of applications in the VMs on a multi-core platform. The second contribution is a new synchronization primitive (named I-Spinlock) in the guest OS. In a cloud providing a service of the IaaS type, the VM is the allocation unit. The provider establishes a catalogue presenting the different quantities of resources that are allocated to the VM regarding various devices. These resources allocated to the VM correspond to a contract on a quality of service negotiated by the customer with the provider. The unpredictability of performance is the consequence of the incapability of the provider to guarantee this quality of service. There are two main causes of this problem in the Cloud: (i) poor resource sharing between different VMs and (ii) heterogeneity of infrastructure in hosting centers. In this thesis, we propose two contributions to answer the problem of performance unpredictability. The first contribution focuses on the sharing of the software resource responsible for managing the drivers, and proposes to bill the CPU time used by this software layer to VMs. The second contribution focuses on the allocation of the CPU in heterogeneous clouds. In this contribution, we propose an allocation approach to guarantee the computing capacity allocated to a VM regardless of the heterogeneity of the CPUs in the infrastructure.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la désagrégation des systèmes informatiques - une approche novatrice qui devrait gagner en popularité dans le secteur des centres de données. A la différence des systèmes traditionnels en grappes, où les ressources sont fournies par une ou plusieurs machines, dans les systèmes désagrégés les ressources sont fournies par des nœuds discrets, chaque nœud ne fournissant qu'un seul type de ressources (unités centrales de calcul, mémoire, périphériques). Au lieu du terme de machine, le terme de créneau (slot) est utilisé pour décrire une unité de déploiement de charge de travail. L'emplacement est assemblé dynamiquement avant un déploiement de charge de travail par l'orchestrateur système.Dans l'introduction nous abordons le sujet de la désagrégation et en présentons les avantages par rapport aux architectures en grappes. Nous ajoutons également au tableau une couche de virtualisation car il s'agit d'un élément crucial des centres de données. La virtualisation fournit une isolation entre les charges de travail déployées et un partitionnement flexible des ressources. Elle doit cependant être adaptée afin de tirer pleinement parti de la désagrégation. C'est pourquoi les principales contributions de ce travail se concentrent sur la prise en charge de la couche de virtualisation pour la mémoire désagrégée et la mise à disposition des périphériques.La première contribution principale présente les modifications de la pile logicielle liées au redimensionnement flexible de la mémoire d'une machine virtuelle (VM). Elles permettent d'ajuster la quantité de RAM hébergée (c'est à dire utilisée par la charge de travail en cours d'exécution dans une VM) pendant l'exécution avec une granularité d'une section mémoire. Du point de vue du logiciel il est transparent que la RAM proviennent de banques de mémoire locales ou distantes.La deuxième contribution discute des notions de partage de mémoire entre machines virtuelles et de migration des machines virtuelles dans le contexte de la désagrégation. Nous présentons d'abord comment des régions de mémoire désagrégées peuvent être partagées entre des machines virtuelles fonctionnant sur différents nœuds. De plus, nous discutons des différentes variantes de la méthode de sérialisation des accès simultanés. Nous expliquons ensuite que la notion de migration de VM a acquis une double signification avec la désagrégation. En raison de la désagrégation des ressources, une charge de travail est associée au minimum à un nœud de calcul et a un nœud mémoire. Il est donc possible qu'elle puisse être migrée vers des nœuds de calcul différents tout en continuant à utiliser la même mémoire, ou l'inverse. Nous discutons des deux cas et décrivons comment cela peut ouvrir de nouvelles opportunités pour la consolidation des serveurs.La dernière contribution de cette thèse est liée à la virtualisation des périphériques désagrégés. Partant de l'hypothèse que la désagrégation de l'architecture apporte de nombreux effets positifs en général, nous expliquons pourquoi elle n'est pas immédiatement compatible avec la technique d'attachement direct, est pourtant très populaire pour sa performance quasi native. Pour remédier à cette limitation, nous présentons une solution qui adapte le concept d'attachement direct à la désagrégation de l'architecture. Grâce à cette solution, les dispositifs désagrégés peuvent être directement attachés aux machines virtuelles, comme s'ils étaient branchés localement. De plus, l'OS hébergé, pour lequel la configuration de l'infrastructure sous-jacente n'est pas visible, n'est pas lui-même concerné par les modifications introduites. / This dissertation is positioned in the context of the system disaggregation - a novel approach expected to gain popularity in the data center sector. In traditional clustered systems resources are provided by one or multiple machines. Differently to that, in disaggregated systems resources are provided by discrete nodes, each node providing only one type of resources (CPUs, memory and peripherals). Instead of a machine, the term of a slot is used to describe a workload deployment unit. The slot is dynamically assembled before a workload deployment by the unit called system orchestrator.In the introduction of this work, we discuss the subject of disaggregation and present its benefits, compared to clustered architectures. We also add a virtualization layer to the picture as it is a crucial part of data center systems. It provides an isolation between deployed workloads and a flexible resources partitioning. However, the virtualization layer needs to be adapted in order to take full advantage of disaggregation. Thus, the main contributions of this work are focused on the virtualization layer support for disaggregated memory and devices provisioning.The first main contribution presents the software stack modifications related to flexible resizing of a virtual machine (VM) memory. They allow to adjust the amount of guest (running in a VM) RAM at runtime on a memory section granularity. From the software perspective it is transparent whether they come from local or remote memory banks.As a second main contribution we discuss the notions of inter-VM memory sharing and VM migration in the disaggregation context. We first present how regions of disaggregated memory can be shared between VMs running on different nodes. This sharing is performed in a way that involved guests which are not aware of the fact that they are co-located on the same computing node or not. Additionally, we discuss different flavors of concurrent accesses serialization methods. We then explain how the VM migration term gained a twofold meaning. Because of resources disaggregation, a workload is associated to at least one computing node and one memory node. It is therefore possible that it is migrated to a different computing node and keeps using the same memory, or the opposite. We discuss both cases and describe how this can open new opportunities for server consolidation.The last main contribution of this dissertation is related to disaggregated peripherals virtualization. Starting from the assumption that the architecture disaggregation brings many positive effects in general, we explain why it breaks the passthrough peripheral attachment technique (also known as a direct attachment), which is very popular for its near-native performance. To address this limitation we present a design that adapts the passthrough attachment concept to the architecture disaggregation. By this novel design, disaggregated devices can be directly attached to VMs, as if they were plugged locally. Moreover, all modifications do not involve the guest OS itself, for which the setup of the underlying infrastructure is not visible.

Få verktyg är riktade uttryckligen till fjärråtkomst och fjärrskrivbordprestanda. De få verktyg som gör det är utvecklade specifikt till det användarområde som de var utformade för och är därför begränsade i sin tillämpning. Eftersom upplevelsekvalitet är en problematisk term att sätta fingret på, eftersom det är, per definition, subjektivt och kommer därför skilja sig mellan användare, uppmuntrar användandet av ett verktyg som kan mäta prestandan. I detta papper undersökts om ett universellt verktyg kan användas för att jämföra fjärrskrivbordsprogram från en användares perspektiv. Genom att fokusera på vad användare ser på skärmen från fjärrskrivbordsprogrammet, så försäkrar denna vinkel att mätningarna tagna är oberoende av vad för fjärrskrivbords protokoll, eller vad för fjärrskrivbordprogram som används. Med målet att kunna mäta en skillnad mellan två tester, så användes två applikationer, TeamViewer och RealVNC, för att ansluta till en maskin och utföra en rad förprogrammerade handlingar. Tester med varierande nätverksfördröjning spelades in i form av skärmklipp, som därefter analyserades av ett program som kan upptäcka färgskillnader på pixlar mellan två tester. Resultatet visar att det finns en mätbar skillnad mellan de två olika fjärrskrivbordsprogrammen, vilket ger hopp om att i framtiden så kan en universal metod tas fram för att mäta upplevelsekvalitet på fjärrskrivbord. / Few tools are targeted explicitly to remote access and remote desktop performance, those who do, are highly specified to the scenarios they were designed for and are therefore limited in their application. Since Quality of Experience (QoE) is a problematic term to pinpoint, as it is, by definition, subjective and will therefore differ between users, it encourages the use of a tool that can measure performance. This paper examines whether a universal tool can be used to compare remote desktop applications from a QoE perspective. By focusing on what is displayed, rather than how the remote desktop application displays it, this angle ensures that the measurements taken are independent of what remote desktop protocol or application are used. With the goal to able to measure a difference between two tests, two applications, TeamViewer and RealVNC, were used to connect to a machine and perform a series of pre-scripted actions. Tests with varying network latency were recorded in the form of screenshots, which were then analysed by a program that can detect colour differences in pixels between two tests. The results show that there is a measurable difference between the two different remote desktop applications, which gives hope that in the future a universal method can be developed to measure the Quality of Experience of remote desktop applications.

Migrer à chaud une machine virtuelle (VM) est une opération basique dans un centre de données. Tous les jours, des VM sont migrées pour répartir la charge, économiser de l'énergie ou préparer la maintenance de serveurs. Bien que les problèmes de placement des VM soient beaucoup étudiés, on observe que la gestion des migrations permettant de transiter vers ces nouveaux placements reste un domaine de second plan. Cette phase est cependant critique car chaque migration à un coût en terme de CPU, de bande passante et d'énergie. Des algorithmes de décision reposent alors sur des hypothèses irréalistes et calculent des ordonnancements conduisant à des migrations longues et incontrôlables qui réduisent les bénéfices attendus de la ré-organisation des VM.Dans cette thèse nous nous sommes fixé comme objectif d'améliorer la qualité des ordonnancements de migrations dans les centres de données. Pour cela, nous avons d'abord modélisé l'ordonnancement de migrations en considérant l'architecture réseau et l'activité mémoire des VM. Pour évaluer l'efficacité de notre modèle, nous avons ensuite implémenté un ordonnanceur de migrations au sein du gestionnaire de VM BtrPlace. Nous avons ensuite étendu notre ordonnanceur en développant des contraintes d'ordonnancement, des objectifs personnalisés, une heuristique de recherche ainsi qu'un modèle énergétique.Nous avons validé notre approche par l'étude pratique de scénarios d'ordonnancement réalisés en environnement réel. Nous avons ainsi pu analyser la précision de notre modèle de migration, valider la qualité des décisions prises par notre modèle d'ordonnancement et évaluer l'extensibilité ainsi que le passage à l'échelle de notre solution / A live-migration of a virtual machine (VM) is a basic operation in a data center. Every day, VMs are migrated to distribute the load, save energy or prepare maintenance operations on production servers. Although VM placement problems have been extensively studied, we observe that the migrations management needed to apply these new placements did not get much attention. This phase is however critical as each migration has a cost in terms of CPU, bandwidth and energy. Decision algorithms are thus based on unrealistic assumptions and compute schedules which can lead to unnecessarily long and uncontrollable migrations. This reduces the ultimate benefits expected from the VMs re-organization.In this thesis, our main ojective is to improve the efficiency of live-migrations scheduling within data centers. To achieve our goal, we have first modeled the scheduling of live migrations based on the network architecture and the VMs memory activity. To evaluate the efficiency of our model, we have then implemented and optimized a migrations scheduler within the VMs manager BtrPlace. We have then extended our scheduler by developing scheduling constraints, custom objectives, a search heuristic and an energy model.We have validated our approach by the practical study of many scheduling scenarios executed in a real environment. We have then analyzed the accuracy of our migration model, assessed the quality of the decisions taken by our scheduling model, and evaluated the extensibility and the scalability of our solution

Yes / Next-generation cellular systems like fth generation (5G) is are expected to experience tremendous tra c growth. To accommodate such tra c demand, there is a need to increase the network capacity that eventually requires the deployment of more base stations (BSs). Nevertheless, BSs are very expensive and consume a lot of energy. With growing complexity of signal processing, baseband units are now consuming a signi cant amount of energy. As a result, cloud radio access networks (C-RAN) have been proposed as anenergy e cient (EE) architecture that leverages cloud computing technology where baseband processing is performed in the cloud. This paper proposes an energy reduction technique based on baseband workload consolidation using virtualized general purpose processors (GPPs) in the cloud. The rationale for the cloud based workload consolidation technique model is to switch o idle baseband units (BBUs) to reduce the overall network energy consumption. The power consumption model for C-RAN is also formulated with considering radio side, fronthaul and BS cloud power consumption. Simulation results demonstrate that the proposed scheme achieves an enhanced energy performance compared to the existing distributed long term evolution (LTE) RAN system. The proposed scheme saves up to 80% of energy during low tra c periods and 12% during peak tra c periods compared to baseline LTE system. Moreover, the proposed scheme saves 38% of energy compared to the baseline system on a daily average.

The malicious host problem is challenging in distributed systems such as grids and clouds. Rival organisations may share the same physical infrastructure. Administrators might deliberately or accidentally compromise users' data. The thesis concerns the development of a security architecture that allows users to place a high degree of trust in remote systems to process their data securely. The problem is tackled through a new security layer that ensures users' data can only be accessed within a trusted execution environment. Access to encrypted programs and data is authorised by a key management service using trusted computing attestation. Strong data integrity and confidentiality protection on remote hosts is provided by the job security manager virtual machine. The trusted grid architecture supports the enforcement of digital rights management controls. Subgrids allow users to define a strong trusted boundary for delegated grid jobs. Recipient keys enforce a trusted return path for job results to help users create secure grid workflows. Mandatory access controls allow stakeholders to mandate the software that is available to grid users. A key goal of the new architecture is backwards compatibility with existing grid infrastructure and data. This is achieved using a novel virtualisation architecture where the security layer is pushed down to the remote host, so it does not need to be pre-installed by the service provider. A new attestation scheme, called origin attestation, supports the execution of unmodified, legacy grid jobs. These features will ease the transition to a trusted grid and help make it practical for deployment on a global scale.

L'Internet est organisé sous la forme d'une multitude de réseaux appelés Systèmes Autonomes (AS). Le Border Gateway Protocol (BGP) est le langage commun qui permet à ces domaines administratifs de s'interconnecter. Grâce à BGP, deux utilisateurs situés n'importe où dans le monde peuvent communiquer, car ce protocole est responsable de la propagation des messages de routage entre tous les réseaux voisins. Afin de répondre aux nouvelles exigences, BGP a dû s'améliorer et évoluer à travers des extensions fréquentes et de nouvelles architectures. Dans la version d'origine, il était indispensable que chaque routeur maintienne une session avec tous les autres routeurs du réseau. Cette contrainte a soulevé des problèmes de scalabilité, puisque le maillage complet des sessions BGP internes (iBGP) était devenu difficile à réaliser dans les grands réseaux. Pour couvrir ce besoin de connectivité, les opérateurs de réseaux font appel à la réflection de routes (RR) et aux confédérations. Mais si elles résolvent un problème de scalabilité, ces deux solutions ont soulevé des nouveaux défis car elles sont accompagnées de multiples défauts; la perte de diversité des routes candidates au processus de sélection BGP ou des anomalies comme par exemple des oscillations de routage, des déflections et des boucles en font partie. Les travaux menés dans cette thèse se concentrent sur oBGP, une nouvelle architecture pour redistribuer les routes externes à l'intérieur d'un AS. `A la place des classiques sessions iBGP, un réseau de type overlay est responsable (I) de l'´echange d'informations de routage avec les autres AS, (II) du stockage distribué des routes internes et externes, (III) de l'application de la politique de routage au niveau de l'AS et (IV) du calcul et de la redistribution des meilleures routes vers les destinations de l'Internet pour tous les routeurs clients présents dans l'AS / The Internet is organized as a collection of networks called Autonomous Systems (ASes). The Border Gateway Protocol (BGP) is the glue that connects these administrative domains. Communication is thus possible between users worldwide and each network is responsible of sharing reachability information to peers through BGP. Protocol extensions are periodically added because the intended use and design of BGP no longer fit the current demands. Scalability concerns make the required internal BGP (iBGP) full mesh difficult to achieve in today's large networks and therefore network operators resort to confederations or Route Reflectors (RRs) to achieve full connectivity. These two options come with a set of flaws of their own such as route diversity loss, persistent routing oscillations, deflections, forwarding loops etc. In this dissertation we present oBGP, a new architecture for the redistribution of external routes inside an AS. Instead of relying on the usual statically configured set of iBGP sessions, we propose to use an overlay of routing instances that are collectively responsible for (I) the exchange of routes with other ASes, (II) the storage of internal and external routes, (III) the storage of the entire routing policy configuration of the AS and (IV) the computation and redistribution of the best routes towards Internet destinations to each client router in the AS

Network Functions Virtualisation (NFV) separa as funções de rede dos dispositivos físicos, simplificando a implantação de novos serviços. As típicas funções de rede, como firewalls, aceleradores de tráfego, sistemas de detecção de intrusão e sistemas de prevenção de intrusões, são tradicionalmente realizadas por equipamentos físicos proprietários, que devem ser instalados manualmente pelos operadores de rede. A implantação de equipamentos físicos é desafiadora porque eles têm requisitos específicos de encadeamento e ordenação. Ao contrário dos equipamentos físicos tradicionais, as funções de rede virtuais (VNFs) podem ser dinamicamente implementadas e reconfiguradas sob demanda, colocando desafios de gerenciamento rigorosos aos sistemas em rede. A seleção das VNFs mais apropriadas para atingir um objetivo específico e a decisão sobre onde implantar essas VNFs e por quais caminhos elas se comunicarão são responsabilidades de um orquestrador de NFV. Nesta dissertação, propomos orquestrar VNFs usando componentes cognitivos interativos estruturados com a arquitetura belief-desire-intention (BDI), levando a soluções emergentes para enfrentar os desafios da rede. A arquitetura BDI inclui um ciclo de raciocínio que fornece aos agentes um comportamento racional, permitindo que lidem com diferentes cenários nos quais o comportamento flexível e inteligente é necessário. Estendemos a arquitetura NFV substituindo seu orquestrador centralizado por agentes BDI. Nossa proposta inclui um protocolo de leilão reverso e uma nova heurística de licitação que permite que os agentes tomem decisões sobre as tarefas de orquestração. Por fim, nós fornecemos uma plataforma de testes que integra uma plataforma para o desenvolvimento de agentes BDI com um emulador de rede, permitindo que os agentes controlem as VNFs e percebam a rede. Essa plataforma de testes é usada para implementar VNFs e avaliar empiricamente nosso modelo teórico em um ataque de negação de serviço distribuído. Os resultados da avaliação mostram que uma solução para o ataque DDoS surge através da negociação de agentes, mitigando com sucesso o ataque. / Network Functions Virtualisation (NFV) decouples network functions from physical devices, simplifying the deployment of new services. Typical network functions, like firewalls, traffic accelerators, intrusion detection systems and intrusion prevention systems, are traditionally performed by proprietary physical appliances, which must be manually installed by network operators. Their deployment is challenging because they have specific chaining requirements. As opposed to traditional physical appliances, virtual network functions (VNFs) can be dynamically deployed and reconfigured on demand, posing strict management challenges to networked systems. The selection of the most appropriate VNFs to achieve a particular objective, the decision on where to deploy these VNFs and through which paths they will communicate are the responsibilities of an NFV orchestrator. In this dissertation, we propose to orchestrate VNFs using interacting cognitive components structured with the belief-desire-intention (BDI) architecture, leading to emergent solutions to address network challenges. The BDI architecture includes a reasoning cycle, which provides agents with rational behaviour, allowing agents to deal with different scenarios in which flexible and intelligent behaviour is needed. We extend the NFV architecture, replacing its centralised orchestrator with BDI agents. Our proposal includes a reverse auction protocol and a novel bidding heuristic that allow agents to make decisions regarding the orchestration tasks. Finally, we provide a testbed that integrates a platform for developing BDI agents with a network emulator, allowing agents to control VNFs and perceive the network. This testbed is used to implement VNFs and empirically evaluate our theoretical model in a distributed denial-of-service (DDoS) attack. The evaluation results show that a solution to the DDoS attack emerges through the negotiation of agents, successfully mitigating the attack.

In this thesis, components and parameters based power models (PMs) are produced to measure the power consumption (PC) of cloud radio access network (CRAN) architecture. In components PM, the power figure of each component within C-RAN is evaluated. After, this model is parametrised such that the computation complexity of each component is converted to a straightforward, but accurate method, called parameterised PM. This model compares cooling and total PC of traditional LTE architecture with C-RAN. This comparison considered different parameters such as, utilised bandwidth, number of antenna, base band units (BBUs) and remote radio heads (RRHs). This model draws about 33% reduction in power. Next, this PC model is updated to serve and exhibit the cost of integrating software defined networks (SDNs) with C-RAN. Alongside, modelling the power cost of the control plane units in the core network (CN), such as serving gateway (SGW), packet gateway (PGW) and mobility management entity (MME). Although there is power cost, the proposed model shows the directions to mitigate it. Consequently, a simplified PM is proposed for virtualisation based C-RAN. In this model, the power cost of server virtualisation by hosting several virtual machines (VMs) is shown, in a time and cost effective way. The total reduction in the PC was about 75%, due to short-cutting the number of active servers in the network. Alongside, the latency cost due to such technique is modelled. Finally, to enable efficient virtualisation technology, live migrating the VMs amongst the servers is vital. However, this advantageous situation is concurrent with VM's migration time and power cost. Therefore, a model is proposed to calculate the power cost of VM's live migration, and shows the effect of such decision upon the total PC of the network/C-RAN. The proposed work converts the complexity of other proposed PMs, to a simplified and costless method. Concurrently, the time cost is added to the imposed virtualisation's time cost to formulate the total delay expected prior to these techniques' execution.