Abstract Traditional communication networks consist of large sets of vendor-specific manually configurable devices. These devices are hardwired with specific control logic or algorithms used for different network functions. The resulting networks comprise distributed control plane architectures that are complex in nature, difficult to integrate and operate, and are least efficient in terms of resource usage. However, the rapid increase in data traffic requires the integrated use of diverse access technologies and autonomic network operations with increased resource efficiency. Therefore, the concepts of Software Defined Networking (SDN) are proposed that decouple the network control plane from the data-forwarding plane and logically centralize the control plane. The SDN control plane can integrate a diverse set of devices, and tune them at run-time through vendor-agnostic programmable Application Programming Interfaces (APIs). This thesis proposes software defined cognitive networking to enable intelligent use of network resources. Different radio access technologies, including cognitive radios, are integrated through a common control platform to increase the overall network performance. The architectural framework of software defined cognitive networking is presented alongside the experimental performance evaluation. Since SDN enables applications to change the network behavior and centralizes the network control plane to oversee the whole network, it is highly important to investigate SDN in terms of security. Therefore, this thesis finds the potential security vulnerabilities in SDN, studies the proposed security platforms and architectures for those vulnerabilities, and presents future directions for unresolved security vulnerabilities. Furthermore, this thesis also investigates the potential security challenges and their solutions for the enabling technologies of 5G, such as SDN, cloud technologies, and virtual network functions, and provides key insights into increasing the security of 5G networks. / Tiivistelmä Perinteiset tietoliikenneverkot pohjautuvat usein laajoille manuaalisesti konfiguroitaville valmistajakohtaisille ratkaisuille. Niissä käytetään laitekohtaista kontrollilogiikkaa tai verkon eri toiminnallisuuksien algoritmeja. Tämän johdosta verkon hajautettu kontrollitaso muodostuu monimutkaiseksi, jota on vaikea integroida ja operoida, eikä se ole kovin joustava resurssien käytön suhteen. Tietoliikenteen määrän kasvaessa tulee entistä tärkeämmäksi integroida useita verkkoteknologioita ja autonomisia verkon toiminnallisuuksia tehokkaan resurssinhallinnan saavuttamiseksi. Ohjelmisto-ohjatut verkkoratkaisut (SDN, Software Defined Networking) tarjoavat keinon hallita erikseen verkon kontrolliliikennettä eroteltuna dataliikenteestä keskitetysti. Tämä kontrollitaso voi integroida erilaisia verkkolaitteita ja ohjata niitä ajonaikaisesti valmistajariippumattoman sovellusohjelmointirajapinnan kautta. Tässä työssä on tutkittu älykästä ohjelmisto-ohjattavaa verkkoratkaisua, jonka avulla eri radioverkkoteknologiat (mukaan lukien konginitiiviradio) voidaan integroida yhteisen kontrollialustan kautta lisäämään verkon kokonaissuorituskykyä. Työssä esitetään kognitiivinen ohjelmisto-ohjattu verkon arkkitehtuuriratkaisu sekä sen suorituskyvyn arviointi mittauksiin pohjautuen. Koska ohjelmisto-ohjattu verkko pohjautuu koko verkon keskitettyyn kontrollilogiikkaan, on tietoturvan merkitys korostunut entisestään. Tässä työssä on sen vuoksi tutkittu juuri tällaisen verkkoratkaisun mahdollisia tietoturvauhkia sekä niiden torjumiseen soveltuvia ratkaisuvaihtoehtoja sekä esitetään tulevaisuuden kehityssuuntia vielä ratkaisemattomille uhkille. Lisäksi työssä on tutkittu laajemmin tulevien 5G verkkojen tietoturvauhkia ja niiden ratkaisuja, liittyen ohjelmisto-ohjattuihin verkkoratkaisuin, pilviteknologioihin ja virtualisoiduille verkkotoiminnallisuuksille. Työ tarjoaa myös näkemyksen siitä, miten verkon tietoturvaa voidaan kokonaisuudessaan lisätä 5G verkoissa.

Abstract Novel methods and tools are needed for the performance evaluation of future embedded systems due to the increasing system complexity. Systems accommodate a large number of on-terminal and or downloadable applications offering the users with numerous services related to telecommunication, audio and video, digital television, internet and navigation. More flexibility, scalability and modularity is expected from execution platforms to support applications. Digital processing architectures will evolve from the current system-on-chips to massively parallel computers consisting of heterogeneous subsystems connected by a network-on-chip. As a consequence, the overall complexity of system evaluation will increase by orders of magnitude. The ABSOLUT performance simulation approach presented in this thesis combats evaluation complexity by abstracting the functionality of the applications with workload models consisting of instruction-like primitives. Workload models can be created from application specifications, measurement results, execution traces, or the source code. Complexity of execution platform models is also reduced since the data paths of processing elements need not be modelled in detail and data transfers and storage are simulated only from the performance point of view. The modelling approach enables early evaluation since mature hardware or software is not required for the modelling or simulation of complete systems. ABSOLUT is applied to a number of case studies including mobile phone usage, MP3 playback, MPEG4 encoding and decoding, 3D gaming, virtual network computing, and parallel software-defined radio applications. The platforms used in the studies represent both embedded systems and personal computers, and at the same time both currently existing platforms and future designs. The results obtained from simulations are compared to measurements from real platforms, which reveals an average difference of 12% in the results. This exceeds the accuracy requirements expected from virtual system-based simulation approaches intended for early evaluation. / Tiivistelmä Sulautettujen tietokonejärjestelmien suorituskyvyn arviointi muuttuu yhä haastavammaksi järjestelmien kasvavan kompleksisuuden vuoksi. Järjestelmissä on suuri määrä sovelluksia, jotka tarjoavat käyttäjälle palveluita liittyen esimerkiksi telekommunikaatioon, äänen ja videokuvan toistoon, internet-selaukseen ja navigaatioon. Tästä johtuen suoritusalustoilta edellytetään yhä enemmän joustavuutta, skaalautuvuutta ja modulaarisuutta. Suoritusarkkitehtuurit kehittyvät nykyisistä System-on-Chip (SoC) -ratkaisuista Network-on-Chip (NoC) -rinnakkaistietokoneiksi, jotka koostuvat heterogeenisistä alijärjestelmistä. Sovellusten ja suoritusalustan muodostaman järjestelmän suorituskyvyn arviointiin tarvitaan uusia menetelmiä ja työkaluja, joilla kompleksisuutta voidaan hallita. Tässä väitöskirjassa esitettävä ABSOLUT-simulointimenetelmä pienentää suorituskyvyn arvioinnin kompleksisuutta abstrahoimalla sovelluksen toiminnallisuutta työkuormamalleilla, jotka koostuvat kuormaprimitiiveistä suorittimen käskyjen sijaan. Työkuormamalleja voidaan luoda sovellusten spesifikaatioista, mittaustuloksista, suoritusjäljistä tai sovellusten lähdekoodeista. Suoritusalustoista ABSOLUT-menetelmä käyttää yksinkertaisia kapasiteettimalleja toiminnallisten mallien sijaan: suoritinarkkitehtuurit mallinnetaan korkealla tasolla ja tiedonsiirto ja tiedon varastointi mallinnetaan vain suorituskyvyn näkökulmasta. Menetelmä mahdollistaa aikaisen suorituskyvyn arvioinnin, koska malleja voidaan luoda ja simuloida jo ennen valmiin sovelluksen tai suoritusalustan olemassaoloa. ABSOLUT-menetelmää on käytetty useissa erilaisissa kokeiluissa, jotka sisälsivät esimerkiksi matkapuhelimen käyttöä, äänen ja videokuvan toistoa ja tallennusta, 3D-pelin pelaamista ja digitaalista tiedonsiirtoa. Esimerkeissä käytetiin tyypillisiä suoritusalustoja sekä kotitietokoneiden että sulautettujen järjestelmien maailmasta. Lisäksi osa esimerkeistä pohjautui tuleviin tai keksittyihin suoritusalustoihin. Osa simuloinneista on varmennettu vertaamalla simulointituloksia todellisista järjestelmistä saatuihin mittaustuloksiin. Niiden välillä huomattiin keskimäärin 12 prosentin poikkeama, mikä ylittää aikaisen vaiheen suorituskyvyn simulointimenetelmiltä vaadittavan tarkkuuden.

Abstract Software-Defined Networks (SDN) focus on addressing the challenges of increased complexity and unified communication, for which the conventional networks are not optimally suited due to their static architecture. This dissertation discusses the methods about how to enhance communication security and mobility management in small-cell networks with IEEE 802.11 backhaul. Although 802.11 has become a mission-critical component of enterprise networks, in many cases it is not managed with the same rigor as the wired networks. 802.11 networks are thus in need of undergoing the same unified management as the wired networks. This dissertation also addresses several new issues from the perspective of mobility management in 802.11 backhaul. Due to lack of built-in quality of service support, IEEE 802.11 experiences serious challenges in meeting the demands of modern services and applications. 802.11 networks require significantly longer duration in association compared to what the real-time applications can tolerate. To optimise host mobility in IEEE 802.11, an extension to the initial authentication is provided by utilising Host Identity Protocol (HIP) based identity attributes and Elliptic Curve Cryptography (ECC) based session key generation. Finally, this dissertation puts forward the concept of SDN based cell mobility and network function virtualization, its counterpart. This is validated by introducing a unified SDN and cognitive radio architecture for harmonized end-to-end resource allocation and management presented at the end. / Tiivistelmä Ohjelmisto-ohjatut verkot (SDN) keskittyvät ratkaisemaan haasteita liittyen kasvaneeseen verkkojen monimutkaisuuteen ja yhtenäiseen kommunikaatioon, mihin perinteiset verkot eivät staattisen rakenteensa vuoksi sovellu. Väitöskirja käsittelee menetelmiä, joilla kommunikaation turvallisuutta ja liikkuvuuden hallintaa voidaan parantaa IEEE 802.11 langattomissa piensoluverkoissa. Vaikkakin 802.11 on muodostunut avainkomponentiksi yritysverkoissa, monissa tapauksissa sitä ei hallinnoida yhtä täsmällisesti kuin langallista verkkoa. 802.11 verkoissa on näin ollen tarve samantyyppiselle yhtenäiselle hallinnalle, kuin langallisissa verkoissa on. Väitöskirja keskittyy myös moniin uusiin liikkuvuuden hallintaan liittyviin ongelmiin 802.11 verkoissa. Johtuen sisäänrakennetun yhteyden laatumäärittelyn (QoS) puuttumisesta, IEEE 802.11 verkoille on haasteellista vastata modernien palvelujen ja sovellusten vaatimuksiin. 802.11 verkot vaativat huomattavasti pidemmän ajan verkkoon liittymisessä, kuin reaaliaikasovellukset vaativat. Työssä on esitelty laajennus alustavalle varmennukselle IEEE 802.11-standardiin isäntälaitteen liikkuvuuden optimoimiseksi, joka hyödyntää Host Identity Protocol (HIP)-pohjaisia identiteettiominaisuuksia sekä elliptisten käyrien salausmenetelmiin (ECC) perustuvaa istunnon avaimen luontia. Lopuksi työssä esitellään ohjelmisto-ohjattuihin verkkoihin pohjautuva solujen liikkuvuuden konsepti, sekä siihen olennaisesti liittyvä verkon virtualisointi. Tämä validoidaan esittelemällä yhtenäinen SDN:ään ja kognitiiviseen radioon perustuva arkkitehtuuri harmonisoidulle päästä päähän resurssien varaamiselle ja hallinnoinnille, joka esitellään lopussa.