Redes em malha sem fios baseadas em contexto

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaIn the modern society, new devices, applications and technologies, with sophisticated capabilities, are converging in the same network infrastructure. Users are also increasingly demanding in personal preferences and expectations, desiring Internet connectivity anytime and everywhere. These aspects have triggered many research efforts, since the current Internet is reaching a breaking point trying to provide enough flexibility for users and profits for operators, while dealing with the complex requirements raised by the recent evolution. Fully aligned with the future Internet research, many solutions have been proposed to enhance the current Internet-based architectures and protocols, in order to become context-aware, that is, to be dynamically adapted to the change of the information characterizing any network entity. In this sense, the presented Thesis proposes a new architecture that allows to create several networks with different characteristics according to their context, on the top of a single Wireless Mesh Network (WMN), which infrastructure and protocols are very flexible and self-adaptable. More specifically, this Thesis models the context of users, which can span from their security, cost and mobility preferences, devices’ capabilities or services’ quality requirements, in order to turn a WMN into a set of logical networks. Each logical network is configured to meet a set of user context needs (for instance, support of high mobility and low security). To implement this user-centric architecture, this Thesis uses the network virtualization, which has often been advocated as a mean to deploy independent network architectures and services towards the future Internet, while allowing a dynamic resource management. This way, network virtualization can allow a flexible and programmable configuration of a WMN, in order to be shared by multiple logical networks (or virtual networks - VNs). Moreover, the high level of isolation introduced by network virtualization can be used to differentiate the protocols and mechanisms of each context-aware VN. This architecture raises several challenges to control and manage the VNs on-demand, in response to user and WMN dynamics. In this context, we target the mechanisms to: (i) discover and select the VN to assign to an user; (ii) create, adapt and remove the VN topologies and routes. We also explore how the rate of variation of the user context requirements can be considered to improve the performance and reduce the complexity of the VN control and management. Finally, due to the scalability limitations of centralized control solutions, we propose a mechanism to distribute the control functionalities along the architectural entities, which can cooperate to control and manage the VNs in a distributed way.Na sociedade actual, novos dispositivos, aplicações e tecnologias, com capacidades sofisticadas, estão a convergir na mesma infra-estrutura de rede. Os utilizadores são também cada vez mais exigentes nas suas preferências e expectativas pessoais, desejando conetividade `a Internet em qualquer hora e lugar. Estes aspectos têm desencadeado muitos esforços de investigação, dado que a Internet atual está a atingir um ponto de rutura ao tentar promover flexibilidade para os utilizadores e lucros para os operadores, enquanto lida com as exigências complexas associadas `a recente evolução. Em sintonia com a linha de investigação para a Internet do futuro, muitas soluções têm sido propostas para melhorar as arquiteturas e protocolos da Internet atual, de forma a torná-los sensíveis ao contexto, isto é, adaptá-los dinamicamente `a alteração da informação que caracteriza qualquer entidade de rede. Neste sentido, a presente Tese propõe uma nova arquitetura que permite criar várias redes com diferentes características de acordo com o contexto das mesmas, sobre uma única rede em malha sem fios (WMN), cuja infra-estructura e protocolos são muito flexíveis e auto-adaptáveis. Mais especificamente, esta Tese modela o contexto dos utilizadores, que pode abranger as suas preferências de segurança, custo e mobilidade, capacidades dos seus dispositivos ou requisitos de qualidade dos seus serviços, de forma a transformar uma WMN num conjunto de redes lógicas. Cada rede lógica ´e configurada para satisfazer um conjunto de necessidades de contexto do utilizador (como exemplo, suporte de mobilidade elevada e de baixa seguran¸ca). Para implementar esta arquitetura centrada no utilizador, esta Tese utiliza a virtualização de redes, que tem muitas vezes sido defendida como um meio para implementar arquiteturas e serviços de rede de uma forma independente, enquanto permite uma gestão dinâmica dos recursos. Desta forma, a virtualização de redes pode permitir uma configuração flexível e programável de uma WMN, a fim de ser partilhada por várias redes lógicas (ou redes virtuais - VNs). Além disso, o grau de isolamento introduzido pela virtualização de redes pode ser utilizado para diferenciar os protocolos e mecanismos de cada VN baseada em contexto. Esta arquitetura levanta vários desafios para controlar e gerir as VNs em tempo real, e em resposta `a dinâmica dos utilizadores e da WMN. Neste contexto, abordamos os mecanismos para: (i) descobrir e selecionar a VN a atribuir a um utilizador; (ii) criar, adaptar e remover as topologias e rotas das VNs. Também exploramos a possibilidade de considerar a taxa de variação dos requisitos de contexto dos utilizadores de forma a melhorar o desempenho e reduzir a complexidade do controlo e gestão das VNs. Finalmente, devido ´as limitações de escalabilidade das soluções de controlo centralizadas, propomos um mecanismo para distribuir as funcionalidades de controlo ao longo das entidades da arquitectura, que podem cooperar para controlar e gerir as VNs de uma forma distribuída