O atual sucesso da Internet vem inibindo a disseminação de novas arquiteturas e protocolos de rede. Especificamente, qualquer modificação no núcleo da rede requer comum acordo entre diversas partes. Face a isso, a Virtualização de Redes vem sendo proposta como um atributo diversificador para a Internet. Tal paradigma promove o desenvolvimento de novas arquiteturas e protocolos por meio da criação de múltiplas redes virtuais sobrepostas em um mesmo substrato físico. Adicionalmente, aplicações executando sobre uma mesma rede física podem ser isoladas mutuamente, propiciando a independência funcional entre as mesmas. Uma de suas mais promissoras vantagens é a capacidade de limitar o escopo de ataques, através da organização de uma infraestrutura em múltiplas redes virtuais, isolando o tráfego das mesmas e impedindo interferências. Contudo, roteadores e enlaces virtuais permanecem vulneráveis a ataques e falhas na rede física subjacente. Particularmente, caso determinado enlace do substrato seja comprometido, todos os enlaces virtuais sobrepostos (ou seja, alocados neste) serão afetados. Para lidar com esse problema, a literatura propõe dois tipos de estratégias: as que reservam recursos adicionais do substrato como sobressalentes, protegendo contra disrupções; e as que utilizam migração em tempo real para realocar recursos virtuais comprometidos. Ambas estratégias acarretam compromissos: o uso de recursos sobressalentes tende a tornar-se custoso ao provedor de infraestrutura, enquanto a migração de recursos demanda um período de convergência e pode deixar as redes virtuais inoperantes durante o mesmo. Esta dissertação apresenta ORE (Opportunistic Resilience Embedding – Mapeamento com Resiliência Oportunística), uma nova abordagem de mapeamento de redes para proteger enlaces virtuais contra disrupções no substrato físico. ORE é composto por duas estratégias: uma proativa, na qual enlaces virtuais são alocados em múltiplos caminhos para mitigar o impacto de uma disrupção; e uma reativa, a qual tenta recuperar, parcial ou integralmente, a capacidade perdida nos enlaces virtuais afetados. Ambas são modeladas como problemas de otimização. Ademais, como o mapeamento de redes virtuais é NP-Difícil, ORE faz uso de uma meta-heurística baseada em Simulated Annealing para resolver o problema de forma eficiente. Resultados numéricos mostram que ORE pode prover resiliência a disrupções por um custo mais baixo. / Recently, the Internet’s success has prevented the dissemination of novel networking architectures and protocols. Specifically, any modification to the core of the network requires agreement among many different parties. To address this situation, Network Virtualization has been proposed as a diversifying attribute for the Internet. This paradigm promotes the development of new architectures and protocols by enabling the creation of multiple virtual networks on top of a same physical substrate. In addition, applications running over the same physical network can be isolated from each other, thus allowing them to coexist independently. One of the main advantages of this paradigm is the use of isolation to limit the scope of attacks. This can be achieved by creating different, isolated virtual networks for each task, so traffic from one virtual network does not interfere with the others. However, routers and links are still vulnerable to attacks and failures on the underlying network. Particularly, should a physical link be compromised, all embedded virtual links will be affected. Previous work tackled this problem with two main strategies: using backup resources to protect against disruptions; or live migration to relocate a compromised virtual resource. Both strategies have drawbacks: backup resources tend to be expensive for the infrastructure provider, while live migration may leave virtual networks inoperable during the recovery period. This dissertation presents ORE (Opportunistic Resilience Embedding), a novel embedding approach for protecting virtual links against substrate network disruptions. ORE’s design is two-folded: while a proactive strategy embeds virtual links into multiple substrate paths in order to mitigate the initial impact of a disruption, a reactive one attempts to recover any capacity affected by an underlying disruption. Both strategies are modeled as optimization problems. Additionally, since the embedding problem is NP-Hard, ORE uses a Simulated Annealing-based meta-heuristic to solve it efficiently. Numerical results show that ORE can provide resilience to disruptions at a lower cost.

A virtualização de rede surgiu como uma alternativa para contornar as limitações no uso compartilhado da infraestrutura atual da Internet. Com a virtualização, sob uma mesma estrutura física, ou substrato, é possível a construção de múltiplas redes virtuais, cada uma das quais empregando seus próprios protocolos, mecanismos de endereçamento e políticas de forma independente e isolada. Essas redes são formadas por roteadores, interfaces e enlaces virtuais mapeados sobre componentes reais. Por serem desacopláveis, os elementos virtuais trazem uma grande flexibilidade, sendo possível a construção de múltiplas redes sobrepostas para usuários com demandas distintas, por exemplo. Roteadores virtuais podem migrar de um roteador físico para outro, conforme necessidades de manutenção ou balanceamento de carga. Além disso, a possibilidade de se conduzir experimentos de rede em uma estrutura real, sujeita as condições de utilização e de tráfego que normalmente serão encontradas na prática, sem que se precise interromper a operação da rede, traz a possibilidade de se instalar poderosos e sofisticados ambientes de teste (testbeds ). Nesse ambiente, contudo, existem desafios de pesquisa a serem tratados e questões em aberto, em especial com relação ao gerenciamento de dispositivos. Em uma rede com suporte a virtualização, os roteadores físicos precisam ser gerenciados para que roteadores virtuais possam ser criados, modificados, duplicados, destruídos e movimentados. As interfaces de gerenciamento atuais, porém, não suportam tais ações de forma efetiva, obrigando o administrador dos dispositivos a realizar intervenções manuais através de interfaces de linha de comandos (CLIs) não padronizadas. Existe, assim, a necessidade de se definir uma interface de gerenciamento adequada para roteadores físicos que abrigam roteadores virtuais. Tendo como objetivo abordar estas questões, este trabalho consiste na investigação de uma solução para gerenciar roteadores virtuais. Para isto foram levantadas e definidas as principais ações de gerenciamento necessárias aos dispositivos, de forma integrada, visando a definição de uma interface padronizada de gerencia- mento para cenários heterogêneos de utilização. / Network virtualization emerged as an alternative to overcome limitations on use of the shared infrastructure of current Internet. With virtualization, over the same physical structure, or substrate, it is possible to build multiple virtual networks, each of them employing its own protocols, addressing mechanisms and policies, on an isolated and independent way. These networks are formed by virtual routers, interfaces and links mapped to real components. Because they are detachable, the virtual elements bring a great flexibility, being possible constructing many overlaid networks for users with different demands, for example. Virtual routers can migrate from one physical router to another as needed form maintenance or load balancing. Besides, the possibily of running network experiments in a real structure, subject to the conditions of use and traffic that will normally be encountered in practice, without interrupting network operation, make it possible to install powerfull and sofisticated testbeds. In such environment, however, there are research challenges to be managed and open questions, specially related to devices management. In a network with virtu- alization support, physicall routers must be managed so that virtual routers can be created, modified, copied, removed and moved. Nevertheless, current management interfaces do not support such action in an effictive way, compelling the devices manager to make manual interventions through non standardized command line interfaces (CLIs). So, there exist the need to define an adequate management interface for physicall routers that host virtual routers. Having as an objective to address these questions, this work consist in investi- gating a solution to manage virtual routers. For this, were raised and defined the main management actions required for devices, through an integrated way, aiming to define a standardized management interface for heterogeneous use scenarios.

O atual sucesso da Internet vem inibindo a disseminação de novas arquiteturas e protocolos de rede. Especificamente, qualquer modificação no núcleo da rede requer comum acordo entre diversas partes. Face a isso, a Virtualização de Redes vem sendo proposta como um atributo diversificador para a Internet. Tal paradigma promove o desenvolvimento de novas arquiteturas e protocolos por meio da criação de múltiplas redes virtuais sobrepostas em um mesmo substrato físico. Adicionalmente, aplicações executando sobre uma mesma rede física podem ser isoladas mutuamente, propiciando a independência funcional entre as mesmas. Uma de suas mais promissoras vantagens é a capacidade de limitar o escopo de ataques, através da organização de uma infraestrutura em múltiplas redes virtuais, isolando o tráfego das mesmas e impedindo interferências. Contudo, roteadores e enlaces virtuais permanecem vulneráveis a ataques e falhas na rede física subjacente. Particularmente, caso determinado enlace do substrato seja comprometido, todos os enlaces virtuais sobrepostos (ou seja, alocados neste) serão afetados. Para lidar com esse problema, a literatura propõe dois tipos de estratégias: as que reservam recursos adicionais do substrato como sobressalentes, protegendo contra disrupções; e as que utilizam migração em tempo real para realocar recursos virtuais comprometidos. Ambas estratégias acarretam compromissos: o uso de recursos sobressalentes tende a tornar-se custoso ao provedor de infraestrutura, enquanto a migração de recursos demanda um período de convergência e pode deixar as redes virtuais inoperantes durante o mesmo. Esta dissertação apresenta ORE (Opportunistic Resilience Embedding – Mapeamento com Resiliência Oportunística), uma nova abordagem de mapeamento de redes para proteger enlaces virtuais contra disrupções no substrato físico. ORE é composto por duas estratégias: uma proativa, na qual enlaces virtuais são alocados em múltiplos caminhos para mitigar o impacto de uma disrupção; e uma reativa, a qual tenta recuperar, parcial ou integralmente, a capacidade perdida nos enlaces virtuais afetados. Ambas são modeladas como problemas de otimização. Ademais, como o mapeamento de redes virtuais é NP-Difícil, ORE faz uso de uma meta-heurística baseada em Simulated Annealing para resolver o problema de forma eficiente. Resultados numéricos mostram que ORE pode prover resiliência a disrupções por um custo mais baixo. / Recently, the Internet’s success has prevented the dissemination of novel networking architectures and protocols. Specifically, any modification to the core of the network requires agreement among many different parties. To address this situation, Network Virtualization has been proposed as a diversifying attribute for the Internet. This paradigm promotes the development of new architectures and protocols by enabling the creation of multiple virtual networks on top of a same physical substrate. In addition, applications running over the same physical network can be isolated from each other, thus allowing them to coexist independently. One of the main advantages of this paradigm is the use of isolation to limit the scope of attacks. This can be achieved by creating different, isolated virtual networks for each task, so traffic from one virtual network does not interfere with the others. However, routers and links are still vulnerable to attacks and failures on the underlying network. Particularly, should a physical link be compromised, all embedded virtual links will be affected. Previous work tackled this problem with two main strategies: using backup resources to protect against disruptions; or live migration to relocate a compromised virtual resource. Both strategies have drawbacks: backup resources tend to be expensive for the infrastructure provider, while live migration may leave virtual networks inoperable during the recovery period. This dissertation presents ORE (Opportunistic Resilience Embedding), a novel embedding approach for protecting virtual links against substrate network disruptions. ORE’s design is two-folded: while a proactive strategy embeds virtual links into multiple substrate paths in order to mitigate the initial impact of a disruption, a reactive one attempts to recover any capacity affected by an underlying disruption. Both strategies are modeled as optimization problems. Additionally, since the embedding problem is NP-Hard, ORE uses a Simulated Annealing-based meta-heuristic to solve it efficiently. Numerical results show that ORE can provide resilience to disruptions at a lower cost.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le contexte général des réseaux logiciels, dits "Software-Defined Networking" (SDN). Ce paradigme récent est l'une des initiatives les plus notables pour rendre les réseaux actuels programmables ou, en d'autres termes, plus simple à configurer, à tester, à corriger et à faire évoluer. Dans un écosystème SDN, l'interface nord (Northbound API) est utilisée par l'administrateur réseaux pour définir ses politiques et programmer le plan de contrôle, elle représente donc un enjeu majeur. Idéalement, cette interface nord devrait permettre aux administrateurs de décrire, le plus simplement possible, des services réseaux et leurs interactions, plutôt que de spécifier comment et sur quels équipements physiques ils doivent être déployés. Des travaux existants montrent que cela peut être notamment réalisé grâce à des solutions de virtualisation de réseaux et des langages de programmation dédiés de haut niveau. L'objectif de ce travail de thèse est de proposer une nouvelle interface nord qui, d'une part, exploiterait la virtualisation de réseau et, d'autre part, exposerait ses services sous la forme d'un langage de programmation dédié. Actuellement, plusieurs langages intégrant des solutions de virtualisation de réseau existent. Néanmoins, nous pensons que les modèles d'abstraction qu'ils utilisent pour construire des réseaux virtuels restent inappropriés pour assurer des critères de simplicité, modularité et flexibilité des topologies virtuelles et des programmes de contrôle. Dans ce contexte, nous proposons un nouveau langage de contrôle de réseaux nommé AirNet. Ce dernier intègre un modèle d'abstraction dont la principale caractéristique est d'offrir une séparation nette entre les équipements de bordure (Edge) et de cœur de réseau (Fabric). Cette idée est bien connue et acceptée dans le domaine des architectures réseaux. L'originalité de notre contribution étant de faire remonter ce concept au niveau du plan de contrôle virtuel et non de le restreindre au seul plan physique. Ainsi, des frontières logiques entre les différents types de politiques existeront (fonctions de contrôle et de données vs. fonctions de transport), garantissant ainsi la modularité et la réutilisabilité de tout ou partie du programme de contrôle. De plus, dans l'approche proposée, la définition du réseau virtuel et des politiques peut être totalement dissociée de l'infrastructure physique cible, favorisant ainsi la portabilité des applications de contrôle. Une implémentation du langage AirNet a également été réalisée. Ce prototype inclut en particulier une bibliothèque des primitives et opérateurs du langage, ainsi qu'un hyperviseur qui assure la composition des politiques de contrôle sur un réseau virtuel, et leur transposition (mapping) sur l'infrastructure physique. Afin de s'appuyer sur des contrôleurs SDN existants, l'hyperviseur inclut des modules d'intégration des contrôleurs POX et RYU. Une validation expérimentale a été menée sur différents cas d'étude (filtrage, répartition de charge, authentification dynamique, limitation de bande passante, etc.) dont les résultats attestent de la faisabilité de la solution. Enfin, des mesures de performances ont montré que le surcoût apporté par cette nouvelle couche d'abstraction est parfaitement acceptable. / The work of this thesis falls within the general context of software-defined networking (SDN). This new paradigm is one of the most significant initiatives to enable networks programmability or, in other words, to make current networks easier to configure, test, debug and evolve. Within an SDN ecosystem, the Northbound interface is used by network administrators to define policies and to program the control plane, it thus represents a major challenge. Ideally, this northbound interface should allow administrators to describe, as simply as possible, network services and their interactions, rather than specifying how and on what physical device they need to be deployed. Current related works show that this can be partly achieved through virtualization solutions and high-level domain specific languages (DSL). The objective of this thesis is to propose a new Northbound interface which will, on the one hand, rely on network virtualization and, on the other hand, expose its services as a domain specific programming language. Currently, several languages that include network virtualization solutions exist. Nevertheless, we believe that the abstract models they are using to build virtual networks remain inadequate to ensure simplicity, modularity and flexibility of virtual topologies and control programs. In this context, we propose a new network control language named AirNet. Our language is built on top of an abstraction model whose main feature is to provide a clear separation between edge and core network devices. This concept is a well-known and accepted idea within the network designer community. The originality of our contribution is to lift up this concept at the virtual control plane, not limiting it solely at the physical plane. Thus, logical boundaries between different types of policies will exist (control and data functions vs. transport functions), ensuring modularity and reusability of the control program. Moreover, in the proposed approach, the definition of the virtual network and policies is totally dissociated from the target physical infrastructure, promoting the portability of control applications. An implementation of the AirNet language has also been done. This prototype includes in particular a library that implements the primitives and operators of the language, and a hypervisor that achieves the composition of the control policies on the virtual network, and their mapping on the physical infrastructure. In order to rely on existing SDN controllers, the hypervisor includes integration modules for the POX and RYU controllers. An experimental validation has been also conducted on different use cases (filtering, load balancing, dynamic authentication, bandwidth throttling, etc.), whose results demonstrate the feasibility of our solution. Finally, performance measurements have shown that the additional cost brought by this new abstraction layer is perfectly acceptable.

As redes de computadores têm evoluído para acomodar uma grande variedade de serviços, tais como streaming de vídeos de alta qualidade e entrega de conteúdo sensível a atrasos. Estes serviços têm aumentado a demanda por recursos não originalmente considerados na Internet. Com a promessa de atender novas demandas de rede rapidamente, pesquisadores propuseram Redes Programáveis, nas quais o comportamento dos dispositivos de rede pode ser alterado utilizando aplicativos. Entretanto, tal comportamento pode não ser um consenso entre usuários da rede. O surgimento de Redes Virtualizadas superou tal questão, ao permitir a coexistência de múltiplas redes virtuais sobre a mesma infraestrutura física. A fim de se obter redes virtuais isoladas com comportamento programável, foram propostas as Redes Virtuais Programáveis (RVP). Diante dessa nova realidade, os administradores de rede não estão mais olhando unicamente para dispositivos de rede. Eles estão olhando para um sistema composto de dispositivos e aplicativos de rede que definem o comportamento individual de cada rede virtual. Isso requer não apenas novas ferramentas e abordagens de gerenciamento, além disso, exige a revisão de conceitos tradicionais sobre redes. Implementações de RVP são encontradas principalmente em testbeds e ambientes de Computação em Nuvem. Testbeds são muito propícios à inovação, mas possuem fortes limitações no que diz respeito a migração de soluções experimentais para produção. Por outro lado, computação em nuvem é um ótimo ambiente de produção, mas possui restrições de flexibilidade e inovação, uma vez que as soluções de rede adotadas geralmente são proprietárias. Portanto, nesta dissertação introduz-se um novo modelo de negócio que permite a criação de soluções inovadoras em ambientes de produção, a Programabilidade de Redes como um Serviço (NPaaS). Diferente do modelo de negócio de redes tradicionais, onde os usuários finais são apenas consumidores dos serviços de rede já disponíveis, em NPaaS os usuários finais também são capazes de desenvolver e implantar novas soluções de rede. Para apoiar NPaaS, propõe-se uma plataforma de gerenciamento de rede virtual programável, chamada ProViNet. Essa plataforma fornece a arquitetura de software e estratégias necessárias para permitir a implantação e gestão NPaaS. Uma avaliação qualitativa do modelo de negócio NPaaS foi realizada, o resultado foi contrastado com alguns dos modelos de negócio praticados atualmente. Assim, enfatizando a singularidade do NPaaS. Enquanto isso, uma avaliação experimental foi realizada para demonstrar a viabilidade da plataforma ProViNet. Os resultados mostraram que NPaaS representa uma alternativa promissora para ambientes de rede virtual com acesso público, como as nuvens públicas. Além disso, uma avaliação quantitativa do protótipo da plataforma demonstrou a viabilidade técnica e provou que aplicativos de rede desenvolvidos usando BPMN são capazes de executar com desempenho aceitáveis. / Computer networks have evolved to accommodate a wide variety of services, such as streaming of high quality videos and delay-sensitive content delivery. These services have increased the demand for features not originally considered in the Internet. Aiming to address novel network demands quickly, some researchers proposed Programmable Networks, in which network devices behavior can be changed using applications. Notwithstanding, such behavior might not be a consensus between computer network stakeholders. The emergence of Virtualized Networks overcame this issue by allowing the coexistence of multiple virtual networks on the same physical infrastructure. Finally, the convergence of programmability and virtualization techniques are explored within a third concept, the Programmable Virtual Networks (PVN). Faced with this new reality, network administrators are no longer just looking at network devices. They are looking at a system made of virtual devices and applications that define each virtual network behavior. This requires not just new tools and management approaches, over and above that, requires new thinking. PVN deployments are found mostly in shared experimental facilities (also known as testbeds) and Cloud Computing environments. Testbeds are very innovation friendly, but with strong limitations in regards to taking experimental solutions to production. On the other hand, Cloud computing is a great production environment, but presents flexibility and innovation restrictions once network solutions adopted are usually proprietary. Therefore, in this dissertation it is introduced Network Programming as a Service (NPaaS), a new business model that aims to facilitate the conduct of innovative solutions for production environments. Different from traditional network business models, where end-users are just consumers of network services already available, in NPaaS, end-users are also able to develop and deploy novel network solutions. To support NPaaS, Programmable Virtual Network management platform is proposed. Such platform, named ProViNet, provides all architectural and technical features necessary to enable NPaaS deployment and management. A qualitative evaluation of the NPaaS business model was performed, and the result was contrasted with some of the current models, thus, emphasizing the singularity of NPaaS. In the meanwhile, an experimental evaluation was conducted to demonstrate the feasibility of ProViNet platform. Results have shown that NPaaS represent a promising alternative for virtual network environments with public access such as public clouds. Moreover, a quantitative evaluation of the platform prototype demonstrated the technical feasibility and proved that network applications developed using BPMN are able to run with acceptable performance rates.

O atual sucesso da Internet vem inibindo a disseminação de novas arquiteturas e protocolos de rede. Especificamente, qualquer modificação no núcleo da rede requer comum acordo entre diversas partes. Face a isso, a Virtualização de Redes vem sendo proposta como um atributo diversificador para a Internet. Tal paradigma promove o desenvolvimento de novas arquiteturas e protocolos por meio da criação de múltiplas redes virtuais sobrepostas em um mesmo substrato físico. Adicionalmente, aplicações executando sobre uma mesma rede física podem ser isoladas mutuamente, propiciando a independência funcional entre as mesmas. Uma de suas mais promissoras vantagens é a capacidade de limitar o escopo de ataques, através da organização de uma infraestrutura em múltiplas redes virtuais, isolando o tráfego das mesmas e impedindo interferências. Contudo, roteadores e enlaces virtuais permanecem vulneráveis a ataques e falhas na rede física subjacente. Particularmente, caso determinado enlace do substrato seja comprometido, todos os enlaces virtuais sobrepostos (ou seja, alocados neste) serão afetados. Para lidar com esse problema, a literatura propõe dois tipos de estratégias: as que reservam recursos adicionais do substrato como sobressalentes, protegendo contra disrupções; e as que utilizam migração em tempo real para realocar recursos virtuais comprometidos. Ambas estratégias acarretam compromissos: o uso de recursos sobressalentes tende a tornar-se custoso ao provedor de infraestrutura, enquanto a migração de recursos demanda um período de convergência e pode deixar as redes virtuais inoperantes durante o mesmo. Esta dissertação apresenta ORE (Opportunistic Resilience Embedding – Mapeamento com Resiliência Oportunística), uma nova abordagem de mapeamento de redes para proteger enlaces virtuais contra disrupções no substrato físico. ORE é composto por duas estratégias: uma proativa, na qual enlaces virtuais são alocados em múltiplos caminhos para mitigar o impacto de uma disrupção; e uma reativa, a qual tenta recuperar, parcial ou integralmente, a capacidade perdida nos enlaces virtuais afetados. Ambas são modeladas como problemas de otimização. Ademais, como o mapeamento de redes virtuais é NP-Difícil, ORE faz uso de uma meta-heurística baseada em Simulated Annealing para resolver o problema de forma eficiente. Resultados numéricos mostram que ORE pode prover resiliência a disrupções por um custo mais baixo. / Recently, the Internet’s success has prevented the dissemination of novel networking architectures and protocols. Specifically, any modification to the core of the network requires agreement among many different parties. To address this situation, Network Virtualization has been proposed as a diversifying attribute for the Internet. This paradigm promotes the development of new architectures and protocols by enabling the creation of multiple virtual networks on top of a same physical substrate. In addition, applications running over the same physical network can be isolated from each other, thus allowing them to coexist independently. One of the main advantages of this paradigm is the use of isolation to limit the scope of attacks. This can be achieved by creating different, isolated virtual networks for each task, so traffic from one virtual network does not interfere with the others. However, routers and links are still vulnerable to attacks and failures on the underlying network. Particularly, should a physical link be compromised, all embedded virtual links will be affected. Previous work tackled this problem with two main strategies: using backup resources to protect against disruptions; or live migration to relocate a compromised virtual resource. Both strategies have drawbacks: backup resources tend to be expensive for the infrastructure provider, while live migration may leave virtual networks inoperable during the recovery period. This dissertation presents ORE (Opportunistic Resilience Embedding), a novel embedding approach for protecting virtual links against substrate network disruptions. ORE’s design is two-folded: while a proactive strategy embeds virtual links into multiple substrate paths in order to mitigate the initial impact of a disruption, a reactive one attempts to recover any capacity affected by an underlying disruption. Both strategies are modeled as optimization problems. Additionally, since the embedding problem is NP-Hard, ORE uses a Simulated Annealing-based meta-heuristic to solve it efficiently. Numerical results show that ORE can provide resilience to disruptions at a lower cost.

As redes de computadores têm evoluído para acomodar uma grande variedade de serviços, tais como streaming de vídeos de alta qualidade e entrega de conteúdo sensível a atrasos. Estes serviços têm aumentado a demanda por recursos não originalmente considerados na Internet. Com a promessa de atender novas demandas de rede rapidamente, pesquisadores propuseram Redes Programáveis, nas quais o comportamento dos dispositivos de rede pode ser alterado utilizando aplicativos. Entretanto, tal comportamento pode não ser um consenso entre usuários da rede. O surgimento de Redes Virtualizadas superou tal questão, ao permitir a coexistência de múltiplas redes virtuais sobre a mesma infraestrutura física. A fim de se obter redes virtuais isoladas com comportamento programável, foram propostas as Redes Virtuais Programáveis (RVP). Diante dessa nova realidade, os administradores de rede não estão mais olhando unicamente para dispositivos de rede. Eles estão olhando para um sistema composto de dispositivos e aplicativos de rede que definem o comportamento individual de cada rede virtual. Isso requer não apenas novas ferramentas e abordagens de gerenciamento, além disso, exige a revisão de conceitos tradicionais sobre redes. Implementações de RVP são encontradas principalmente em testbeds e ambientes de Computação em Nuvem. Testbeds são muito propícios à inovação, mas possuem fortes limitações no que diz respeito a migração de soluções experimentais para produção. Por outro lado, computação em nuvem é um ótimo ambiente de produção, mas possui restrições de flexibilidade e inovação, uma vez que as soluções de rede adotadas geralmente são proprietárias. Portanto, nesta dissertação introduz-se um novo modelo de negócio que permite a criação de soluções inovadoras em ambientes de produção, a Programabilidade de Redes como um Serviço (NPaaS). Diferente do modelo de negócio de redes tradicionais, onde os usuários finais são apenas consumidores dos serviços de rede já disponíveis, em NPaaS os usuários finais também são capazes de desenvolver e implantar novas soluções de rede. Para apoiar NPaaS, propõe-se uma plataforma de gerenciamento de rede virtual programável, chamada ProViNet. Essa plataforma fornece a arquitetura de software e estratégias necessárias para permitir a implantação e gestão NPaaS. Uma avaliação qualitativa do modelo de negócio NPaaS foi realizada, o resultado foi contrastado com alguns dos modelos de negócio praticados atualmente. Assim, enfatizando a singularidade do NPaaS. Enquanto isso, uma avaliação experimental foi realizada para demonstrar a viabilidade da plataforma ProViNet. Os resultados mostraram que NPaaS representa uma alternativa promissora para ambientes de rede virtual com acesso público, como as nuvens públicas. Além disso, uma avaliação quantitativa do protótipo da plataforma demonstrou a viabilidade técnica e provou que aplicativos de rede desenvolvidos usando BPMN são capazes de executar com desempenho aceitáveis. / Computer networks have evolved to accommodate a wide variety of services, such as streaming of high quality videos and delay-sensitive content delivery. These services have increased the demand for features not originally considered in the Internet. Aiming to address novel network demands quickly, some researchers proposed Programmable Networks, in which network devices behavior can be changed using applications. Notwithstanding, such behavior might not be a consensus between computer network stakeholders. The emergence of Virtualized Networks overcame this issue by allowing the coexistence of multiple virtual networks on the same physical infrastructure. Finally, the convergence of programmability and virtualization techniques are explored within a third concept, the Programmable Virtual Networks (PVN). Faced with this new reality, network administrators are no longer just looking at network devices. They are looking at a system made of virtual devices and applications that define each virtual network behavior. This requires not just new tools and management approaches, over and above that, requires new thinking. PVN deployments are found mostly in shared experimental facilities (also known as testbeds) and Cloud Computing environments. Testbeds are very innovation friendly, but with strong limitations in regards to taking experimental solutions to production. On the other hand, Cloud computing is a great production environment, but presents flexibility and innovation restrictions once network solutions adopted are usually proprietary. Therefore, in this dissertation it is introduced Network Programming as a Service (NPaaS), a new business model that aims to facilitate the conduct of innovative solutions for production environments. Different from traditional network business models, where end-users are just consumers of network services already available, in NPaaS, end-users are also able to develop and deploy novel network solutions. To support NPaaS, Programmable Virtual Network management platform is proposed. Such platform, named ProViNet, provides all architectural and technical features necessary to enable NPaaS deployment and management. A qualitative evaluation of the NPaaS business model was performed, and the result was contrasted with some of the current models, thus, emphasizing the singularity of NPaaS. In the meanwhile, an experimental evaluation was conducted to demonstrate the feasibility of ProViNet platform. Results have shown that NPaaS represent a promising alternative for virtual network environments with public access such as public clouds. Moreover, a quantitative evaluation of the platform prototype demonstrated the technical feasibility and proved that network applications developed using BPMN are able to run with acceptable performance rates.

A virtualização de rede surgiu como uma alternativa para contornar as limitações no uso compartilhado da infraestrutura atual da Internet. Com a virtualização, sob uma mesma estrutura física, ou substrato, é possível a construção de múltiplas redes virtuais, cada uma das quais empregando seus próprios protocolos, mecanismos de endereçamento e políticas de forma independente e isolada. Essas redes são formadas por roteadores, interfaces e enlaces virtuais mapeados sobre componentes reais. Por serem desacopláveis, os elementos virtuais trazem uma grande flexibilidade, sendo possível a construção de múltiplas redes sobrepostas para usuários com demandas distintas, por exemplo. Roteadores virtuais podem migrar de um roteador físico para outro, conforme necessidades de manutenção ou balanceamento de carga. Além disso, a possibilidade de se conduzir experimentos de rede em uma estrutura real, sujeita as condições de utilização e de tráfego que normalmente serão encontradas na prática, sem que se precise interromper a operação da rede, traz a possibilidade de se instalar poderosos e sofisticados ambientes de teste (testbeds ). Nesse ambiente, contudo, existem desafios de pesquisa a serem tratados e questões em aberto, em especial com relação ao gerenciamento de dispositivos. Em uma rede com suporte a virtualização, os roteadores físicos precisam ser gerenciados para que roteadores virtuais possam ser criados, modificados, duplicados, destruídos e movimentados. As interfaces de gerenciamento atuais, porém, não suportam tais ações de forma efetiva, obrigando o administrador dos dispositivos a realizar intervenções manuais através de interfaces de linha de comandos (CLIs) não padronizadas. Existe, assim, a necessidade de se definir uma interface de gerenciamento adequada para roteadores físicos que abrigam roteadores virtuais. Tendo como objetivo abordar estas questões, este trabalho consiste na investigação de uma solução para gerenciar roteadores virtuais. Para isto foram levantadas e definidas as principais ações de gerenciamento necessárias aos dispositivos, de forma integrada, visando a definição de uma interface padronizada de gerencia- mento para cenários heterogêneos de utilização. / Network virtualization emerged as an alternative to overcome limitations on use of the shared infrastructure of current Internet. With virtualization, over the same physical structure, or substrate, it is possible to build multiple virtual networks, each of them employing its own protocols, addressing mechanisms and policies, on an isolated and independent way. These networks are formed by virtual routers, interfaces and links mapped to real components. Because they are detachable, the virtual elements bring a great flexibility, being possible constructing many overlaid networks for users with different demands, for example. Virtual routers can migrate from one physical router to another as needed form maintenance or load balancing. Besides, the possibily of running network experiments in a real structure, subject to the conditions of use and traffic that will normally be encountered in practice, without interrupting network operation, make it possible to install powerfull and sofisticated testbeds. In such environment, however, there are research challenges to be managed and open questions, specially related to devices management. In a network with virtu- alization support, physicall routers must be managed so that virtual routers can be created, modified, copied, removed and moved. Nevertheless, current management interfaces do not support such action in an effictive way, compelling the devices manager to make manual interventions through non standardized command line interfaces (CLIs). So, there exist the need to define an adequate management interface for physicall routers that host virtual routers. Having as an objective to address these questions, this work consist in investi- gating a solution to manage virtual routers. For this, were raised and defined the main management actions required for devices, through an integrated way, aiming to define a standardized management interface for heterogeneous use scenarios.

A virtualização de rede surgiu como uma alternativa para contornar as limitações no uso compartilhado da infraestrutura atual da Internet. Com a virtualização, sob uma mesma estrutura física, ou substrato, é possível a construção de múltiplas redes virtuais, cada uma das quais empregando seus próprios protocolos, mecanismos de endereçamento e políticas de forma independente e isolada. Essas redes são formadas por roteadores, interfaces e enlaces virtuais mapeados sobre componentes reais. Por serem desacopláveis, os elementos virtuais trazem uma grande flexibilidade, sendo possível a construção de múltiplas redes sobrepostas para usuários com demandas distintas, por exemplo. Roteadores virtuais podem migrar de um roteador físico para outro, conforme necessidades de manutenção ou balanceamento de carga. Além disso, a possibilidade de se conduzir experimentos de rede em uma estrutura real, sujeita as condições de utilização e de tráfego que normalmente serão encontradas na prática, sem que se precise interromper a operação da rede, traz a possibilidade de se instalar poderosos e sofisticados ambientes de teste (testbeds ). Nesse ambiente, contudo, existem desafios de pesquisa a serem tratados e questões em aberto, em especial com relação ao gerenciamento de dispositivos. Em uma rede com suporte a virtualização, os roteadores físicos precisam ser gerenciados para que roteadores virtuais possam ser criados, modificados, duplicados, destruídos e movimentados. As interfaces de gerenciamento atuais, porém, não suportam tais ações de forma efetiva, obrigando o administrador dos dispositivos a realizar intervenções manuais através de interfaces de linha de comandos (CLIs) não padronizadas. Existe, assim, a necessidade de se definir uma interface de gerenciamento adequada para roteadores físicos que abrigam roteadores virtuais. Tendo como objetivo abordar estas questões, este trabalho consiste na investigação de uma solução para gerenciar roteadores virtuais. Para isto foram levantadas e definidas as principais ações de gerenciamento necessárias aos dispositivos, de forma integrada, visando a definição de uma interface padronizada de gerencia- mento para cenários heterogêneos de utilização. / Network virtualization emerged as an alternative to overcome limitations on use of the shared infrastructure of current Internet. With virtualization, over the same physical structure, or substrate, it is possible to build multiple virtual networks, each of them employing its own protocols, addressing mechanisms and policies, on an isolated and independent way. These networks are formed by virtual routers, interfaces and links mapped to real components. Because they are detachable, the virtual elements bring a great flexibility, being possible constructing many overlaid networks for users with different demands, for example. Virtual routers can migrate from one physical router to another as needed form maintenance or load balancing. Besides, the possibily of running network experiments in a real structure, subject to the conditions of use and traffic that will normally be encountered in practice, without interrupting network operation, make it possible to install powerfull and sofisticated testbeds. In such environment, however, there are research challenges to be managed and open questions, specially related to devices management. In a network with virtu- alization support, physicall routers must be managed so that virtual routers can be created, modified, copied, removed and moved. Nevertheless, current management interfaces do not support such action in an effictive way, compelling the devices manager to make manual interventions through non standardized command line interfaces (CLIs). So, there exist the need to define an adequate management interface for physicall routers that host virtual routers. Having as an objective to address these questions, this work consist in investi- gating a solution to manage virtual routers. For this, were raised and defined the main management actions required for devices, through an integrated way, aiming to define a standardized management interface for heterogeneous use scenarios.

As redes de computadores têm evoluído para acomodar uma grande variedade de serviços, tais como streaming de vídeos de alta qualidade e entrega de conteúdo sensível a atrasos. Estes serviços têm aumentado a demanda por recursos não originalmente considerados na Internet. Com a promessa de atender novas demandas de rede rapidamente, pesquisadores propuseram Redes Programáveis, nas quais o comportamento dos dispositivos de rede pode ser alterado utilizando aplicativos. Entretanto, tal comportamento pode não ser um consenso entre usuários da rede. O surgimento de Redes Virtualizadas superou tal questão, ao permitir a coexistência de múltiplas redes virtuais sobre a mesma infraestrutura física. A fim de se obter redes virtuais isoladas com comportamento programável, foram propostas as Redes Virtuais Programáveis (RVP). Diante dessa nova realidade, os administradores de rede não estão mais olhando unicamente para dispositivos de rede. Eles estão olhando para um sistema composto de dispositivos e aplicativos de rede que definem o comportamento individual de cada rede virtual. Isso requer não apenas novas ferramentas e abordagens de gerenciamento, além disso, exige a revisão de conceitos tradicionais sobre redes. Implementações de RVP são encontradas principalmente em testbeds e ambientes de Computação em Nuvem. Testbeds são muito propícios à inovação, mas possuem fortes limitações no que diz respeito a migração de soluções experimentais para produção. Por outro lado, computação em nuvem é um ótimo ambiente de produção, mas possui restrições de flexibilidade e inovação, uma vez que as soluções de rede adotadas geralmente são proprietárias. Portanto, nesta dissertação introduz-se um novo modelo de negócio que permite a criação de soluções inovadoras em ambientes de produção, a Programabilidade de Redes como um Serviço (NPaaS). Diferente do modelo de negócio de redes tradicionais, onde os usuários finais são apenas consumidores dos serviços de rede já disponíveis, em NPaaS os usuários finais também são capazes de desenvolver e implantar novas soluções de rede. Para apoiar NPaaS, propõe-se uma plataforma de gerenciamento de rede virtual programável, chamada ProViNet. Essa plataforma fornece a arquitetura de software e estratégias necessárias para permitir a implantação e gestão NPaaS. Uma avaliação qualitativa do modelo de negócio NPaaS foi realizada, o resultado foi contrastado com alguns dos modelos de negócio praticados atualmente. Assim, enfatizando a singularidade do NPaaS. Enquanto isso, uma avaliação experimental foi realizada para demonstrar a viabilidade da plataforma ProViNet. Os resultados mostraram que NPaaS representa uma alternativa promissora para ambientes de rede virtual com acesso público, como as nuvens públicas. Além disso, uma avaliação quantitativa do protótipo da plataforma demonstrou a viabilidade técnica e provou que aplicativos de rede desenvolvidos usando BPMN são capazes de executar com desempenho aceitáveis. / Computer networks have evolved to accommodate a wide variety of services, such as streaming of high quality videos and delay-sensitive content delivery. These services have increased the demand for features not originally considered in the Internet. Aiming to address novel network demands quickly, some researchers proposed Programmable Networks, in which network devices behavior can be changed using applications. Notwithstanding, such behavior might not be a consensus between computer network stakeholders. The emergence of Virtualized Networks overcame this issue by allowing the coexistence of multiple virtual networks on the same physical infrastructure. Finally, the convergence of programmability and virtualization techniques are explored within a third concept, the Programmable Virtual Networks (PVN). Faced with this new reality, network administrators are no longer just looking at network devices. They are looking at a system made of virtual devices and applications that define each virtual network behavior. This requires not just new tools and management approaches, over and above that, requires new thinking. PVN deployments are found mostly in shared experimental facilities (also known as testbeds) and Cloud Computing environments. Testbeds are very innovation friendly, but with strong limitations in regards to taking experimental solutions to production. On the other hand, Cloud computing is a great production environment, but presents flexibility and innovation restrictions once network solutions adopted are usually proprietary. Therefore, in this dissertation it is introduced Network Programming as a Service (NPaaS), a new business model that aims to facilitate the conduct of innovative solutions for production environments. Different from traditional network business models, where end-users are just consumers of network services already available, in NPaaS, end-users are also able to develop and deploy novel network solutions. To support NPaaS, Programmable Virtual Network management platform is proposed. Such platform, named ProViNet, provides all architectural and technical features necessary to enable NPaaS deployment and management. A qualitative evaluation of the NPaaS business model was performed, and the result was contrasted with some of the current models, thus, emphasizing the singularity of NPaaS. In the meanwhile, an experimental evaluation was conducted to demonstrate the feasibility of ProViNet platform. Results have shown that NPaaS represent a promising alternative for virtual network environments with public access such as public clouds. Moreover, a quantitative evaluation of the platform prototype demonstrated the technical feasibility and proved that network applications developed using BPMN are able to run with acceptable performance rates.