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    Fatias de rede fim-a-fim : da extração de perfis de funções de rede a SLAs granulares

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    Orientador: Christian Rodolfo Esteve RothenbergTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Nos últimos dez anos, processos de softwarização de redes vêm sendo continuamente diversi- ficados e gradativamente incorporados em produção, principalmente através dos paradigmas de Redes Definidas por Software (ex.: regras de fluxos de rede programáveis) e Virtualização de Funções de Rede (ex.: orquestração de funções virtualizadas de rede). Embasado neste processo o conceito de network slice surge como forma de definição de caminhos de rede fim- a-fim programáveis, possivelmente sobre infrastruturas compartilhadas, contendo requisitos estritos de desempenho e dedicado a um modelo particular de negócios. Esta tese investiga a hipótese de que a desagregação de métricas de desempenho de funções virtualizadas de rede impactam e compõe critérios de alocação de network slices (i.e., diversas opções de utiliza- ção de recursos), os quais quando realizados devem ter seu gerenciamento de ciclo de vida implementado de forma transparente em correspondência ao seu caso de negócios de comu- nicação fim-a-fim. A verificação de tal assertiva se dá em três aspectos: entender os graus de liberdade nos quais métricas de desempenho de funções virtualizadas de rede podem ser expressas; métodos de racionalização da alocação de recursos por network slices e seus re- spectivos critérios; e formas transparentes de rastrear e gerenciar recursos de rede fim-a-fim entre múltiplos domínios administrativos. Para atingir estes objetivos, diversas contribuições são realizadas por esta tese, dentre elas: a construção de uma plataforma para automatização de metodologias de testes de desempenho de funções virtualizadas de redes; a elaboração de uma metodologia para análises de alocações de recursos de network slices baseada em um algoritmo classificador de aprendizado de máquinas e outro algoritmo de análise multi- critério; e a construção de um protótipo utilizando blockchain para a realização de contratos inteligentes envolvendo acordos de serviços entre domínios administrativos de rede. Por meio de experimentos e análises sugerimos que: métricas de desempenho de funções virtualizadas de rede dependem da alocação de recursos, configurações internas e estímulo de tráfego de testes; network slices podem ter suas alocações de recursos coerentemente classificadas por diferentes critérios; e acordos entre domínios administrativos podem ser realizados de forma transparente e em variadas formas de granularidade por meio de contratos inteligentes uti- lizando blockchain. Ao final deste trabalho, com base em uma ampla discussão as perguntas de pesquisa associadas à hipótese são respondidas, de forma que a avaliação da hipótese proposta seja realizada perante uma ampla visão das contribuições e trabalhos futuros desta teseAbstract: In the last ten years, network softwarisation processes have been continuously diversified and gradually incorporated into production, mainly through the paradigms of Software Defined Networks (e.g., programmable network flow rules) and Network Functions Virtualization (e.g., orchestration of virtualized network functions). Based on this process, the concept of network slice emerges as a way of defining end-to-end network programmable paths, possibly over shared network infrastructures, requiring strict performance metrics associated to a par- ticular business case. This thesis investigate the hypothesis that the disaggregation of network function performance metrics impacts and composes a network slice footprint incurring in di- verse slicing feature options, which when realized should have their Service Level Agreement (SLA) life cycle management transparently implemented in correspondence to their fulfilling end-to-end communication business case. The validation of such assertive takes place in three aspects: the degrees of freedom by which performance of virtualized network functions can be expressed; the methods of rationalizing the footprint of network slices; and transparent ways to track and manage network assets among multiple administrative domains. In order to achieve such goals, a series of contributions were achieved by this thesis, among them: the construction of a platform for automating methodologies for performance testing of virtual- ized network functions; an elaboration of a methodology for the analysis of footprint features of network slices based on a machine learning classifier algorithm and a multi-criteria analysis algorithm; and the construction of a prototype using blockchain to carry out smart contracts involving service level agreements between administrative systems. Through experiments and analysis we suggest that: performance metrics of virtualized network functions depend on the allocation of resources, internal configurations and test traffic stimulus; network slices can have their resource allocations consistently analyzed/classified by different criteria; and agree- ments between administrative domains can be performed transparently and in various forms of granularity through blockchain smart contracts. At the end of his thesis, through a wide discussion we answer all the research questions associated to the investigated hypothesis in such way its evaluation is performed in face of wide view of the contributions and future work of this thesisDoutoradoEngenharia de ComputaçãoDoutor em Engenharia ElétricaFUNCAM

    Techno-economic analysis of software-defined telecommunications networks

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    Software-Defined Networks for Future Networks and Services: Main Technical Challenges and Business Implications

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    In 2013, the IEEE Future Directions Committee (FDC) formed an SDN work group to explore the amount of interest in forming an IEEE Software-Defined Network (SDN) Community. To this end, a Workshop on "SDN for Future Networks and Services" (SDN4FNS'13) was organized in Trento, Italy (Nov. 11th-13th 2013). Following the results of the workshop, in this paper, we have further analyzed scenarios, prior-art, state of standardization, and further discussed the main technical challenges and socio-economic aspects of SDN and virtualization in future networks and services. A number of research and development directions have been identified in this white paper, along with a comprehensive analysis of the technical feasibility and business availability of those fundamental technologies. A radical industry transition towards the "economy of information through softwarization" is expected in the near future

    Otimização do fronthaul ótico para redes de acesso de rádio (baseadas) em computação em nuvem (CC-RANs)

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    Doutoramento conjunto (MAP-Tele) em Engenharia Eletrotécnica/TelecomunicaçõesA proliferação de diversos tipos de dispositivos moveis, aplicações e serviços com grande necessidade de largura de banda têm contribuído para o aumento de ligações de banda larga e ao aumento do volume de trafego das redes de telecomunicações moveis. Este aumento exponencial tem posto uma enorme pressão nos mobile operadores de redes móveis (MNOs). Um dos aspetos principais deste recente desenvolvimento, é a necessidade que as redes têm de oferecer baixa complexidade nas ligações, como também baixo consumo energético, muito baixa latência e ao mesmo tempo uma grande capacidade por baixo usto. De maneira a resolver estas questões, os MNOs têm focado a sua atenção na redes de acesso por rádio em nuvem (C-RAN) principalmente devido aos seus benefícios em termos de otimização de performance e relação qualidade preço. O standard para a distribuição de sinais sem fios por um fronthaul C-RAN é o common public radio interface (CPRI). No entanto, ligações óticas baseadas em interfaces CPRI necessitam de uma grande largura de banda. Estes requerimentos podem também ser atingidos com uma implementação em ligação free space optical (FSO) que é um sistema ótico que usa comunicação sem fios. O FSO tem sido uma alternativa muito apelativa aos sistemas de comunicação rádio (RF) pois combinam a flexibilidade e mobilidade das redes RF ao mesmo tempo que permitem a elevada largura de banda permitida pelo sistema ótico. No entanto, as ligações FSO são suscetíveis a alterações atmosféricas que podem prejudicar o desempenho do sistema de comunicação. Estas limitações têm evitado o FSO de ser tornar uma excelente solução para o fronthaul. Uma caracterização precisa do canal e tecnologias mais avançadas são então necessárias para uma implementação pratica de ligações FSO. Nesta tese, vamos estudar uma implementação eficiente para fronthaul baseada em tecnologia á rádio-sobre-FSO (RoFSO). Propomos expressões em forma fechada para mitigação das perdas de propagação e para a estimação da capacidade do canal de maneira a aliviar a complexidade do sistema de comunicação. Simulações numéricas são também apresentadas para formatos de modulação adaptativas. São também considerados esquemas como um sistema hibrido RF/FSO e tecnologias de transmissão apoiadas por retransmissores que ajudam a alivar os requerimentos impostos por um backhaul/fronthaul de C-RAN. Os modelos propostos não só reduzem o esforço computacional, como também têm outros méritos, tais como, uma elevada precisão na estimação do canal e desempenho, baixo requisitos na capacidade de memória e uma rápida e estável operação comparativamente com o estado da arte em sistemas analíticos (PON)-FSO. Este sistema é implementado num recetor em tempo real que é emulado através de uma field-programmable gate array (FPGA) comercial. Permitindo assim um sistema aberto, interoperabilidade, portabilidade e também obedecer a standards de software aberto. Os esquemas híbridos têm a habilidade de suportar diferentes aplicações, serviços e múltiplos operadores a partilharem a mesma infraestrutura de fibra ótica.The proliferation of different mobile devices, bandwidth-intensive applications and services contribute to the increase in the broadband connections and the volume of traffic on the mobile networks. This exponential growth has put considerable pressure on the mobile network operators (MNOs). In principal, there is a need for networks that not only offer low-complexity, low-energy consumption, and extremely low-latency but also high-capacity at relatively low cost. In order to address the demand, MNOs have given significant attention to the cloud radio access network (C-RAN) due to its beneficial features in terms of performance optimization and cost-effectiveness. The de facto standard for distributing wireless signal over the C-RAN fronthaul is the common public radio interface (CPRI). However, optical links based on CPRI interfaces requires large bandwidth. Also, the aforementioned requirements can be realized with the implementation of free space optical (FSO) link, which is an optical wireless system. The FSO is an appealing alternative to the radio frequency (RF) communication system that combines the flexibility and mobility offered by the RF networks with the high-data rates provided by the optical systems. However, the FSO links are susceptible to atmospheric impairments which eventually hinder the system performance. Consequently, these limitations prevent FSO from being an efficient standalone fronthaul solution. So, precise channel characterizations and advanced technologies are required for practical FSO link deployment and operation. In this thesis, we study an efficient fronthaul implementation that is based on radio-on-FSO (RoFSO) technologies. We propose closedform expressions for fading-mitigation and for the estimation of channel capacity so as to alleviate the system complexity. Numerical simulations are presented for adaptive modulation scheme using advanced modulation formats. We also consider schemes like hybrid RF/FSO and relay-assisted transmission technologies that can help in alleviating the stringent requirements by the C-RAN backhaul/fronthaul. The propose models not only reduce the computational requirements/efforts, but also have a number of diverse merits such as high-accuracy, low-memory requirements, fast and stable operation compared to the current state-of-the-art analytical based approaches. In addition to the FSO channel characterization, we present a proof-of-concept experiment in which we study the transmission capabilities of a hybrid passive optical network (PON)-FSO system. This is implemented with the real-time receiver that is emulated by a commercial field-programmable gate array (FPGA). This helps in facilitating an open system and hence enables interoperability, portability, and open software standards. The hybrid schemes have the ability to support different applications, services, and multiple operators over a shared optical fiber infrastructure

    Software-Defined Networking: A Comprehensive Survey

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    peer reviewedThe Internet has led to the creation of a digital society, where (almost) everything is connected and is accessible from anywhere. However, despite their widespread adoption, traditional IP networks are complex and very hard to manage. It is both difficult to configure the network according to predefined policies, and to reconfigure it to respond to faults, load, and changes. To make matters even more difficult, current networks are also vertically integrated: the control and data planes are bundled together. Software-defined networking (SDN) is an emerging paradigm that promises to change this state of affairs, by breaking vertical integration, separating the network's control logic from the underlying routers and switches, promoting (logical) centralization of network control, and introducing the ability to program the network. The separation of concerns, introduced between the definition of network policies, their implementation in switching hardware, and the forwarding of traffic, is key to the desired flexibility: by breaking the network control problem into tractable pieces, SDN makes it easier to create and introduce new abstractions in networking, simplifying network management and facilitating network evolution. In this paper, we present a comprehensive survey on SDN. We start by introducing the motivation for SDN, explain its main concepts and how it differs from traditional networking, its roots, and the standardization activities regarding this novel paradigm. Next, we present the key building blocks of an SDN infrastructure using a bottom-up, layered approach. We provide an in-depth analysis of the hardware infrastructure, southbound and northbound application programming interfaces (APIs), network virtualization layers, network operating systems (SDN controllers), network programming languages, and network applications. We also look at cross-layer problems such as debugging and troubleshooting. In an effort to anticipate the future evolution of this - ew paradigm, we discuss the main ongoing research efforts and challenges of SDN. In particular, we address the design of switches and control platforms—with a focus on aspects such as resiliency, scalability, performance, security, and dependability—as well as new opportunities for carrier transport networks and cloud providers. Last but not least, we analyze the position of SDN as a key enabler of a software-defined environment

    Energy-aware service provisioning in P2P-assisted cloud ecosystems

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    Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Instituto Tecnico de LisboaEnergy has been emerged as a first-class computing resource in modern systems. The trend has primarily led to the strong focus on reducing the energy consumption of data centers, coupled with the growing awareness of the adverse impact on the environment due to data centers. This has led to a strong focus on energy management for server class systems. In this work, we intend to address the energy-aware service provisioning in P2P-assisted cloud ecosystems, leveraging economics-inspired mechanisms. Toward this goal, we addressed a number of challenges. To frame an energy aware service provisioning mechanism in the P2P-assisted cloud, first, we need to compare the energy consumption of each individual service in P2P-cloud and data centers. However, in the procedure of decreasing the energy consumption of cloud services, we may be trapped with the performance violation. Therefore, we need to formulate a performance aware energy analysis metric, conceptualized across the service provisioning stack. We leverage this metric to derive energy analysis framework. Then, we sketch a framework to analyze the energy effectiveness in P2P-cloud and data center platforms to choose the right service platform, according to the performance and energy characteristics. This framework maps energy from the hardware oblivious, top level to the particular hardware setting in the bottom layer of the stack. Afterwards, we introduce an economics-inspired mechanism to increase the energy effectiveness in the P2P-assisted cloud platform as well as moving toward a greener ICT for ICT for a greener ecosystem.La energía se ha convertido en un recurso de computación de primera clase en los sistemas modernos. La tendencia ha dado lugar principalmente a un fuerte enfoque hacia la reducción del consumo de energía de los centros de datos, así como una creciente conciencia sobre los efectos ambientales negativos, producidos por los centros de datos. Esto ha llevado a un fuerte enfoque en la gestión de energía de los sistemas de tipo servidor. En este trabajo, se pretende hacer frente a la provisión de servicios de bajo consumo energético en los ecosistemas de la nube asistida por P2P, haciendo uso de mecanismos basados en economía. Con este objetivo, hemos abordado una serie de desafíos. Para instrumentar un mecanismo de servicio de aprovisionamiento de energía consciente en la nube asistida por P2P, en primer lugar, tenemos que comparar el consumo energético de cada servicio en la nube P2P y en los centros de datos. Sin embargo, en el procedimiento de disminuir el consumo de energía de los servicios en la nube, podemos quedar atrapados en el incumplimiento del rendimiento. Por lo tanto, tenemos que formular una métrica, sobre el rendimiento energético, a través de la pila de servicio de aprovisionamiento. Nos aprovechamos de esta métrica para derivar un marco de análisis de energía. Luego, se esboza un marco para analizar la eficacia energética en la nube asistida por P2P y en la plataforma de centros de datos para elegir la plataforma de servicios adecuada, de acuerdo con las características de rendimiento y energía. Este marco mapea la energía desde el alto nivel independiente del hardware a la configuración de hardware particular en la capa inferior de la pila. Posteriormente, se introduce un mecanismo basado en economía para aumentar la eficacia energética en la plataforma en la nube asistida por P2P, así como avanzar hacia unas TIC más verdes, para las TIC en un ecosistema más verde.Postprint (published version
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