Network Functions Virtualization (NFV) and Multi-access Edge Computing (MEC) represent significant advancements in the telecommunications industry, addressing critical issues related to cost, complexity, and service agility. MEC, in particular, enables the efficient placement of computing resources at the network Edge to support low-latency applications. However, one of the key challenges in Edge environments, stemming from the inherent mobility of user devices, consists of ensuring seamless service migration to maintain optimal system performance and adapt to network conditions. This dissertation proposes several enhancements to the European Telecommunications Standards Institute (ETSI) MEC-NFV framework, specifically designed to enable automatic metricsbased service migration. The proposed system allows clients to define precise conditions under which their applications should be migrated, based on factors such as resource utilization and network performance metrics. By continuously monitoring application performance and system resources, the system triggers migration operations dynamically to ensure high Quality of Service (QoS) and adherence to Service-Level Agreements (SLA). To validate the proposed solution, a Proof of Concept (PoC) was developed, which integrated a Kubernetes cluster with the ETSI Open Source MANO (OSM). A Metrics Collector agent tracks realtime resource usage and network latency, feeding data into an intelligent MEC Application Orchestrator (MEAO) that automates the relocation of services based on predefined SLA parameters. This PoC, which demonstrated the feasibility of the proposed system, was made open-source, providing a foundation for further research and development in Edge Computing architectures. Furthermore, an experimental evaluation was conducted using the PoC. The obtained results confirmed the effectiveness of the proposed solution, showing that it reduces both the duration and variability of service migration times and enhances overall system responsiveness when compared to traditional approaches.

Network operators are under pressure to offer efficient network-based services while keeping service deployment costs to a minimum. Network functions virtualization (NFV) can potentially revolutionize network-based services bringing low-deployment costs for network operators. The NFV has been introduced to ultimately extend the non-proprietary and open-standard-based model to network and service deployments, significant improvements to today’s proprietary locked implementations. Notwithstanding the continuous efforts of both academia and industry to support the NFV paradigm, the current NFV solutions offered are still in its infancy. In this survey, we provide a detailed background of NFV to establish a comprehensive understanding of the subject, ranging from the basics to more advanced topics. Moreover, we offer a comprehensive overview of the NFV main concepts, standardization efforts, the benefits of NFV, and discussions of the NFV architecture as defined by the European telecommunications standardization institute (ETSI). Furthermore, we discuss the NFV applicability and current open source projects. We then highlight NFV requirements, design considerations, and developmental architectural impairments and barriers to commercial NFV deployments. Finally, we conclude enumerating future directions for NFV development

Software-defined and virtualized networks are attracting significant attention from both the academic research community and the industry, due to their envisaged constructive impacts on the development of future telecommunication systems (fifth-generation (5G) networks and beyond). Communication service providers will also need to engage in digital transformation to adapt to the next generation of telecommunication services based on the novel software-driven technologies associated with 5G networks. Recently, several studies have explored various aspects of these technologies, such as software-defined networking (SDN), network function virtualization (NFV), cloud computing, and mobile/multi-access edge computing (MEC). However, major standardization developments, regarding both the architecture itself and support for networking environments, are still ongoing. Hence, the development of network applications for software-defined and virtualized networks has not yet accelerated. The advent of such networks presents new challenges and opens new paths for the development of novel strategies, architectures, and standards to enable high reliability, fault tolerance, and service assurance in 5G networks and beyond. Along this line, this thesis explores SDN, NFV, and cloud computing technologies. The objectives are to better understand software-driven and virtualized networks, address challenges in their architectural implementation, explore fault-tolerance and service assurance support, delineate obstacles to commercial deployment at a conceptual level and identify future research directions for software-defined and virtualized network developments. In this regard, this work proposes an out-of-band, self-healing, centralized, hybrid, software-defined, networking control design to reliably conceptualize the management and automation of future dynamic networks. Furthermore, the thesis evaluates the performance of virtualization technologies in reliable 5G scenarios and presents a recovery mechanism that can achieve near-zero service downtime. In addition, it describes the implementation of service assurance components and subsequent auto-scaling testing, using open-source management and orchestration, to dynamically extend or reduce the computing resources allocated to network applications in a softwaredefined and virtualized networking environment, at run time, or as required. Overall, the thesis focuses on proposing, evaluating, testing, and validating solutions in terms of reliability, fault-tolerance, and service assurance using SDN, NFV, and cloud computing-based implementations to determine the feasibility and reliability of software-defined and virtualized networks.

A Virtualização de Funções de Rede (Network Functions Virtualization - NFV) está mudando o paradigma das redes de telecomunicações. Esta nova tecnologia permite diversas oportunidades de inovações e possibilita o desenvolvimento de novos modelos de negócio. Em relação às redes NFV, os provedores de serviços têm a oportunidade de criar modelos de negócio que permitam aos clientes contratarem Funções de Rede Virtualizadas (Virtual Network Functions - VNFs) que proveem diferentes serviços de rede (e.g., Firewall, NAT e transcoders). Porém, nestes modelos, a quantidade de informações a serem gerenciadas cresce rapidamente. Baseado nisso, os operadores de rede devem ser capazes de entender e manipular uma grande quantidade de informação para gerenciar, de forma efetiva, as redes NFV. Para enfrentar esse problema, introduzimos uma plataforma de visualização denominada VISION, a qual tem como principal objetivo ajudar os operadores de rede na identificação da causa raiz de problemas em NFV. Para isso, propusemos: (i) uma abordagem para coleta e organização de dados do ambiente NFV gerenciado; (ii) cinco diferentes visualizações que auxiliam nas tarefas de gerenciamento de NFV como, por exemplo, no processo de identificação de problemas em VNFs e no planejamento de negócios e (iii) um modelo baseado em templates que suporta o desenvolvimento e o reuso de visualizações. Para fins de avaliação desta dissertação, foi desenvolvido um protótipo da plataforma VISION e de todas as visualizações propostas. Após, conduzimos um conjunto de casos de estudo para prover evidências sobre a viabilidade e utilidade de nossas visualizações. Os diferentes casos analisados, abordam por exemplo, a identificação de problemas na alocação de VNFs que estão impactando no desempenho do serviço oferecido e também na investigação de prioridades de investimento para suprir as demandas dos clientes da rede. Por fim, apresentamos uma avaliação de usabilidade realizada juntamente a especialistas em redes de computadores para avaliar os recursos e benefícios da plataforma VISION. Os resultados obtidos demonstram que nossas visualizações possibilitam ao operador de rede um rápido e fácil acesso às informações importantes para o gerenciamento de redes NFV, assim facilitando a obtenção de insights para a identificação de problemas complexos no contexto de redes NFV. Além disso, os resultados demonstram uma avaliação positiva por especialistas sobre os aspectos gerais de usabilidade do protótipo desenvolvido.

Em redes de computadores as funções de rede têm um papel significativo na comunicação entre clientes e serviços finais, sendo responsáveis por realizar diferentes tarefas, tais como, segurança, endereçamento, roteamento, caching e balanceamento de carga. Seguindo os passos que impulsionaram a consolidação da computação em nuvem, uma tendência atual tem sido virtualizar as funções de rede, estabelecendo um novo conceito: Network Functions Virtualization (NFV). Conceito este que tem se firmado como paradigma base das arquiteturas de redes de computadores do futuro. Em resumo, NFV permite, através de uma camada de virtualização, que funções de rede que executam em hardware dedicados tornem-se elementos de software independentes de hardware subjacentes, sendo então, nominadas como Virtual Netwok Functions (VNFs). Dentre os benefícios de NFV pode-se citar: redução de custos operacionais, agilidade para o estabelecimento de novas soluções e elasticidade de recursos. Além disto, uma das principais caraterísticas de NFV é a possibilidade do encadeamento de VNFs sob demanda, o que torna a composição de serviços dinâmica. Neste contexto, provedores de serviço utilizam grafos de encaminhamento para construir cadeias de VNFs para compor serviços de rede que atendam as demandas particulares de seus clientes. Como consequência, o desempenho de uma VNFs pode impactar as outras que compõem a cadeia, e assim, é crucial aos operadores de rede poder identificar quando, e o quanto, uma determinada VNF impacta negativamente a qualidade do serviço. Para lidar com esse problema, operadores de rede geralmente monitoram o consumo dos recursos e aplicam modelos analíticos, para, respectivamente, detectar gargalos e quantificar as degradações de desempenho Entretanto, algumas características intrínsecas à NFV limitam a utilização dessas abordagens: os ambientes de NFV são heterogêneos, ou seja, as VNFs atendem a diversos propósitos (e.g., segurança, endereçamento e melhoramento de desempenho); e, algumas implementações de VNFs incorrem em chamadas de E/S não bloqueantes para melhorar o seu desempenho. Para lidar com estas limitações, nesta tese é proposto um modelo para quantificar a propensão de uma VNF ser um gargalo da cadeia de serviços. A métrica resultante desta proposta é denominada guiltiness (culpabilidade em português), e consiste em uma soma ponderada de um conjunto de métricas relevantes. Este conjunto foi refinado, através de análises experimentais, do conjunto total de métricas disponível na literatura atual de NFV. O uso de pesos na métrica permite que a mesma seja aplicada mesmo em cenários heterogêneos, neste caso, um algoritmo de adaptação baseado em regressões não-lineares e redes neurais calcula os valores do pesos de acordo com as particularidades de cada cenário. Para comprovar a aplicabilidade do modelo na identificação de gargalos e na estimativa de degradação de desempenho, foram conduzidas avaliações experimentais em cenários representativos da literatura Os resultados destas avaliações mostram que a métrica de guiltiness serve ao seu propósito, uma vez que caracterizou corretamente as degradações de vazão quando gargalos eram gerados por limitação de recursos, e identificou 96.15% dos problemas de desempenho em um cenário com sobrecargas artificialmente injetadas. Adicionalmente à identificação de gargalos e estimativa de desempenho, estudos foram realizados para estabelecer o método apropriado de monitoração de ambientes NFV. Para este propósito, esta tese propõe o uso de uma abordagem de monitoramento distribuída e baseada no resultado (DReAM – Distributed Result-Aware Monitor), para tanto, agentes de monitoração computam um diagnóstico para identificar o estado das VNFs. Como principal benefício, esta abordagem permite identificar, quase imediatamente, quando uma VNF se torna um gargalo para o serviço de rede.

A crescente necessidade de expansão das redes de computadores criou um novo desafio para a comunidade mundial de desenvolvedores de redes. Com o crescente uso da Internet, estando presente em todos os níveis da sociedade, como governos, empresas e domicílios, a sensibilidade de se alterar e atualizar o hardware responsável pela rede mundial de computadores aumentou consideravelmente, haja vista que um erro poderia compremeter toda a estrutura de comunicação do mundo. Com a idéia de aumentar os recursos de programação dos dispositivos de redes, surgiu a proposta do Openflow. Essa proposta permitia, entre outras coisas, o controle do fluxo dados por uma aplicação de software. Então surgiu o nome Redes Definidas por Software ou Software Defined Networking (SDN). As Redes Definidas por Software têm como premissa básica separar os planos de controle, de administração e de dados. Com isso os dispositivos de rede passariam a ser responsáveis apenas pelo encaminhamento de dados e um novo elemento entraria no cenário, o controlador SDN, que tem o papel de conhecer e controlar toda a rede, orquestrando a comunicação dos elementos. Os administradores da rede passariam a administra-la através de uma central de controle e comando, facilitando a administração. Outra tecnologia que ajudou na popularidade da arquitetura SDN foi a virtualização. O conceito de Virtualização das Funções da Rede, que é focado no provisionamento de novos serviços e funções de rede virtuais como firewalls ou load balancers, junto ao controle proporcionado pelo controlador, foram adotados largamente pela indústria de redes. O uso dessas tecnologias alinhadas, além de aumentar velocidade no provisionamento de novos elementos de rede também diminuem os custos operacionais das empresas. Com isso em mente, esse trabalho propõe a demonstração do uso de um controlador SDN em um ambiente de rede virtual. A proposta é que as ações tomadas na rede sejam refletidas no controlador e os comandos executados no controlador impactem a rede.

Network Functions Virtualization (NFV) oferece diversos benefícios para Provedores de Serviço, como mitigar o custo de equipamentos e aumentar a agilidade do negócio. Em redes com suporte a NFV, a alocação inadequada de Virtualized Network Functions (VNFs) pode criar gargalos, impactando negativamente no desempenho. Portanto, operadores de rede devem estabelecer regras de afinidade e anti-afinidade para evitar gargalos de rede e processamento, e assim respeitar os requisitos de Service Level Agreement (SLA) estabelecidos com o usuário. Regras de afinidade e anti-afinidade em NFV devem ser abragentes e cuidadosamente elaboradas para manter o desempenho dos serviços. Operadores de rede devem considerar mais que apenas a alocação de recursos ao identificar afinidades entre VNFs. Os critérios para afinidade de VNFs variam para grafos de encaminhamento diferentes. Geolocalização, latência, perda de pacotes, e largura de banda são alguns exemplos de critérios que podem ser considerados como indicadores de gargalos em redes de alto tráfego. Neste trabalho, é proposta uma solução para medir a afinidade entre pares de VNFs, baseando-se em um conjuntos de critérios de afinidade, com pesos associados, considerados relevantes por um operador de rede. Para avaliar a viabilidade do modelo de afinidade, foi desenvolvida a solução AMNESiA, uma implementação do modelo proposto de medição de afinidade. AMNESiA foi então utilizado para analizar três casos de estudo em um cenário NFV experimental. Conclui-se que o modelo de afinidade pode ajudar operadores de redes identificar causas de problemas em redes com suporte a NFV, bem como pode ser utilizado por orquestradores NFV para auxiliar na alocação e migração de VNFs.