Em ambientes de virtualização de redes (NVEs – Network Virtualization Environments), a infraestrutura física é compartilhada entre diferentes usuários (ou provedores de serviços) que criam múltiplas redes virtuais (VNs – Virtual Networks). Como parte do aprovisionamento de VNs, roteadores virtuais (VRs – Virtual Routers) são criados dentro de roteadores físicos que suportam a virtualização. Atualmente, o gerenciamento de NVEs é quase sempre realizado por soluções proprietárias, normalmente baseadas em interfaces de linha de comando (CLI – Command Line Interface). NVEs heterogêneos (i.e., com equipamentos e tecnologias diferentes) são difíceis de gerenciar, devido à falta de soluções de gerenciamento padronizadas. Como primeiro passo para conseguir a interoperabilidade de gerenciamento, bom desempenho e alta escalabilidade, foram implementadas, avaliadas e comparadas cinco interfaces de gerenciamento de roteadores físicos que hospedam roteadores virtuais. As interfaces são baseadas em SNMP (v2c e v3), NETCONF, e RESTful Web Services (sobre HTTP e HTTPS), e são projetadas para realizar três operações básicas de gerenciamento de VRs: criação de VR, recuperação de informações de VR e remoção de VR. Essas interfaces foram avaliadas em relação às seguintes métricas: tempo de resposta, tempo de CPU, consumo de memória e uso da rede. Os resultados mostram que a interface baseada no SNMPv2c é a mais adequada para pequenos NVEs, sem rigorosos requisitos de segurança, e o NETCONF é a melhor escolha para compor uma interface de gerenciamento para ser implantada em cenários mais realistas, onde a segurança e a escalabilidade são as principais preocupações.

Com o crescimento constante do uso do Correio Eletrônico, pela sua facilidade de uso e por sua rapidez na entrega da correspondência, cresce também a preocupação com a segurança no tráfego dos dados. Esta segurança é cada vez mais enfatizada, principalmente quando imagina-se a possibilidade de se ter as informações expostas a intrusos da Internet, que surgem com meios cada vez mais sofisticados para violar a privacidade e a segurança das informações. A certificação digital e a infra-estrutura de chaves públicas formam juntas a arquitetura de segurança mais utilizada para garantir os quatro quesitos básicos de segurança em correio eletrônico, que são: autenticação, integridade, não-repúdio, privacidade e datação. O Direto, desenvolvido pela PROCERGS, Companhia de Processamento de Dados do Estado do Rio Grande do Sul, tem como objetivo principal atender a demanda de um software de comunicação de baixo custo, que interligue os diversos órgãos do estado. Por suas características, o sistema está suscetível a potenciais falhas de segurança. O Direto é baseado em software livre, o que diminui o custo do projeto e possibilita o seu uso por qualquer tipo de organização interessada, sem custo algum, com independência de plataforma e flexibilidade de aperfeiçoamento. O modelo proposto e o protótipo desenvolvido visam garantir a segurança das informações trafegadas pelo módulo de correio eletrônico do Direto, estendendo sua interface e incorporando os conceitos de certificados eletrônicos e infra-estrutura de chave pública, atendendo os quatro quesitos básicos de segurança.

Redes Orientadas a Conteúdo (Information-Centric Networks, ICN) são um novo paradigma de comunicação criado para aproximar as infraestruturas de rede às necessidades de sistemas de distribuição de conteúdo. ICN utiliza mecanismos de roteamento e cache projetados para atender requisições por objetos de dados unicamente identificados e desassociados de um localizador fixo. Até o momento, pesquisas sobre ICN focaram principalmente na avaliação de aspectos arquiteturais, tais como o desempenho de diferentes esquemas de roteamento e cache. Entretanto, o método aplicado para distribuir dados utilizando o conceito de objetos também pode impactar a comunicação em uma ICN. Esta tese explora um modelo que permite a distribuição de um conteúdo através de múltiplos objetos de dados. Emprega-se o conceito de relações, definidas como elos entre dois objetos indicando que os dados de um complementam de alguma forma os dados do outro. Tal modelo baseado em relações permite que clientes identifiquem e recuperem os objetos necessários para a reconstrução do conteúdo. Ele é agnóstico ao formato de dados das aplicações, suporta diferentes estruturas de relações e é retrocompatível com especificações atuais de arquiteturas ICN. Também discute-se os principais aspectos de projeto relativos à implementação do modelo na arquitetura NDN. Para avaliar o impacto de relações no desempenho da rede e aplicações, foi realizada uma série de experimentos com dois estudos de caso baseados em cenários relevantes da Internet atual, sendo eles: conteúdo multimídia e páginasWeb. O estudo de caso sobre conteúdo multimídia explora um cenário favorável, no qual relações apresentam uma sobrecarga negligível em contraste ao grande volume de dados dos conteúdos. Os resultados deste estudo de caso mostram que, em comparação com a implementação padrão do NDN, o uso de relações pode reduzir os tempos de download em 34% e o tráfego de rede em 43%. Por sua vez, o estudo de caso sobre páginasWeb explora um cenário no qual relações geram um impacto não negligível na rede e aplicações. A análise deste cenário mostra que, mesmo com a sobrecarga adicional gerada pelas relações, o mecanismo pode reduzir, em média, o tempo de download dos clientes em 28% e o tráfego de rede em 34%.

A grande popularidade dos dispositivos móveis que provêm acesso ubíquo à Internet de banda larga, através de redes de rádio, e o volume de tráfego gerado por estes dispositivos estão aumentando a cada ano. Além disso, vem ampliando consideravelmente a frequência com que usuários de dispositivos móveis estão usando serviços baseados na Web. Alguns destes usuários podem estar acessando serviços que precisam de transmissão contínua como, por exemplo, vídeos interativos, outros podem estar apenas lendo e-mails, o que não exige um fluxo contínuo de dados. Mais do que isso, usuários com altos níveis de sinal podem atingir melhores taxas de transferência do que os com níveis menores. Portanto, encontrar a melhor relação entre os usuários que estão acessando serviços sensíveis ao atraso e aqueles que maximizam a taxa de transferência, e ainda ser justo na transmissão, é um relevante desafio para o escalonamento dos recursos de uma rede sem fio. Embora as pesquisas de escalonamento de recursos em redes sem fio tenham evoluído neste sentido, o recente aumento do volume de tráfego mencionado pode levar a uma sobrecarga no sistema, comprometendo o escalonamento. A fim de enfrentar estes desafios, o Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), tecnologia fundamental para o acesso múltiplo em redes de quarta geração, tem sido considerado também para ser utilizado na próxima geração de rádios móveis. Para implementar um serviço efetivo aos usuários, requisitos, tais como, altas taxas de transferência, tolerância baixa ao atraso, minimização da perda de pacotes e maximização da justiça no escalonamento, devem somar-se à característica, de alta densidade de usuários, que surgiu após o advento da popularização dos dispositivos móveis. Portanto, novas estratégias de escalonamento devem ser idealizadas. Nesta dissertação, deu-se um passo além na proposição de um escalonador para as redes móveis de próxima geração, que busca melhorar a relação entre taxa de transferência e atraso, consequentemente, levando a maiores índices de justiça no escalonamento resultante. O escalonador foi especialmente desenvolvido para lidar com altas densidades de usuários, inerentes às redes modernas, e as redes LTE foram utilizadas como caso de estudo. Desta forma, um novo escalonador ótimo que considera provisão dos requisitos acima mencionados, é modelado. Além disso, uma nova heurística parametrizável, baseada na qualidade do canal do usuário, no atraso permitido por cada serviço e na justiça do escalonamento é proposta, a fim de lidar com cenários sobrecarregados. Resultados demonstram que a abordagem de escalonamento proposta leva a uma taxa de transferência apenas 7,5% menor que os valores ótimos, com 25% a menos de perda de pacotes em cenários sobrecarregados. O modelo também garante que o escalonamento resultante seja pelo menos 0,91 na escala do índice de justiça de Jain. Finalmente, os resultados mostram uma melhor relação entre a eficiência espectral e as métricas de QoS.

Um dos principais desafios em Redes Centradas em Informação (ICN) é como prover controle de acesso à publicação e recuperação de conteúdos. Apesar das potencialidades, as soluções existentes, geralmente, consideram um único usuário agindo como publicador. Ao lidar com múltiplos publicadores, elas podem levar a uma explosão combinatória de chaves criptográficas. As soluções projetadas visando a múltiplos publicadores, por sua vez, dependem de arquiteturas de redes específicas e/ou de mudanças nessas para operar. Nesta dissertação é proposta uma solução, apoiada em criptografia baseada em atributos, para controle de acesso a conteúdos. Nessa solução, o modelo de segurança é voltado a grupos de compartilhamento seguro, nos quais todos os usuários membros podem publicar e consumir conteúdos. Diferente de trabalhos anteriores, a solução proposta mantém o número de chaves proporcional ao de membros nos grupos e pode ser empregada em qualquer arquitetura ICN de forma gradual. A proposta é avaliada quanto ao custo de operação, à quantidade de chaves necessárias e à eficiência na disseminação de conteúdos. Em comparação às soluções existentes, ela oferece maior flexibilidade no controle de acesso, sem aumentar a complexidade do gerenciamento de chaves e sem causar sobrecustos significativos à rede.

Os Pontos de Troca de Tráfego participam de maneira substancial e crítica no ecossistema da Internet, possibilitando conexões entre múltiplos Sistemas Autônomos (ASes, do inglês Autonomous Systems). O gerenciamento das redes de PTT possui como objetivos primários, o gerenciamento dos chamados fluxos elefante (do inglês, elephant flows). Fluxos elefante tendem a existir em número reduzido, porém correspondem à maioria do tráfego em uma infraestrutura de rede. O gerenciamento dos fluxos elefante envolve uma adequada identificação e quando necessário, um redirecionamento destes fluxos para caminhos mais apropriados, de forma a minimizar os possíveis impactos sobre os outros fluxos ativos na rede. Além disso, o gerenciamento de fluxos elefante tornou-se um importante objeto de discussão em PTTs baseados em redes SDN, principalmente porque estas redes dispõem de controladores que possuem uma visão consistente da rede subjacente, o que permite uma gerência destes fluxos de forma refinada. Nesta dissertação, será proposto, desenvolvido e avaliado um sistema de identificação dos fluxos elefante e seus respectivos caminhos de rede, em conjunto com um sistema de recomendação, que possui o objetivo de sugerir configurações alternativas para os fluxos elefante identificados anteriormente nas redes de PTTs baseadas em SDN. Neste sistema, o operador do PTT pode definir templates que em última instância definem como os caminhos dos fluxos elefante serão modificados para atender objetivos específicos. Por fim, será demonstrado que o sistema proposto pode auxiliar o operador do PTT a identificar, gerenciar e mitigar o impacto dos fluxos elefante da rede do PTT.

Software-Defined Networking (SDN) objetiva aliviar as limitações impostas por redes IP tradicionais dissociando tarefas de rede executadas em cada dispositivo em planos específicos. Esta abordagem oferece vários benefícios, tais como a possibilidade de uso de protocolos de comunicação padrão, funções de rede centralizadas, e elementos de rede mais específicos e modulares, tais como controladores de rede. Apesar destes benefícios, ainda há uma falta de apoio adequado para a realização de tarefas relacionadas à classificação de tráfego, pois (i) as características de fluxo nativas disponíveis no protocolo OpenFlow, tais como contadores de bytes e pacotes, não oferecem informação suficiente para distinguir de forma precisa fluxos específicos; (ii) existe uma falta de suporte para determinar qual é o conjunto ótimo de características de fluxo para caracterizar um dado perfil de tráfego; (iii) existe uma necessidade de estratégias flexíveis para compor diferentes mecanismos relacionados à detecção, classificação e mitigação de anomalias de rede usando abstrações de software; (iv) existe uma necessidade de monitoramento de tráfego em tempo real usando técnicas leves e de baixo custo; (v) não existe um framework capaz de gerenciar detecção, classificação e mitigação de anomalias de uma forma coordenada considerando todas as demandas acima. Adicionalmente, é sabido que mecanismos de detecção e classificação de anomalias de tráfego precisam ser flexíveis e fáceis de administrar, a fim de detectar o crescente espectro de anomalias. Detecção e classificação são tarefas difíceis por causa de várias razões, incluindo a necessidade de obter uma visão precisa e abrangente da rede, a capacidade de detectar a ocorrência de novos tipos de ataque, e a necessidade de lidar com erros de classificação. Nesta dissertação, argumentamos que SDN oferece ambientes propícios para a concepção e implementação de esquemas mais robustos e extensíveis para detecção e classificação de anomalias. Diferentemente de outras abordagens na literatura relacionada, que abordam individualmente detecção ou classificação ou mitigação de anomalias, apresentamos um framework para o gerenciamento e orquestração dessas tarefas em conjunto. O framework proposto é denominado ATLANTIC e combina o uso de técnicas com baixo custo computacional para monitorar tráfego e técnicas mais computacionalmente intensivas, porém precisas, para classificar os fluxos de tráfego. Como resultado, ATLANTIC é um framework flexível capaz de categorizar anomalias de tráfego utilizando informações coletadas da rede para lidar com cada perfil de tráfego de um modo específico, como por exemplo, bloqueando fluxos maliciosos.

Algumas palavras e definições comumente utilizadas quando se está falando de Software-Defined Networking, como programabilidade, flexibilidade, ou gerenciamento centralizado, parecem muito apropriadas ao contexto de um outro paradigma de rede: Internet of Things. Em redes domésticas já não é incomum a existência de dispositivos projetados para segurança, climatização, iluminação, monitoramento de saúde e algumas formas de automação que diferem entre si em diversos aspectos, como no modo de operar e de se comunicar. Lidar com este tipo de cenário, que pode diferir bastante daquilo que estamos acostumados na gerência de redes e serviços, fazendo uso dos recursos tradicionais como ferramentas e protocolos bem estabelecidos, pode ser difícil e, em alguns casos, inviável. Com o objetivo de possibilitar o monitoramento remoto de pacientes com doenças crônicas através de dispositivos de healthcare disponíveis no mercado, uma proposta de middleware foi desenvolvida em um projeto de pesquisa para contornar as limitações relacionadas à interoperabilidade, coleta de dados, gerência, segurança e privacidade encontradas nos dispositivos utilizados. O middleware foi projetado com o intuito de executar em access points instalados na casa dos pacientes. Contudo, as limitações de hardware e software do access point utilizado refletem no desenvolvimento, pois restringem o uso de linguagens de programação e recursos que poderiam agilizar e facilitar a implementação dos módulos e dos mecanismos necessários. Os contratempos encontrados no desenvolvimento motivaram a busca por alternativas, o que resultou na refatoração do middleware através de Software-Defined Networking, baseando-se em trabalhos que exploram o uso desse paradigma em redes domésticas. O objetivo deste trabalho é verificar a viabilidade da utilização de Software-Defined Networking no contexto de Internet of Things, mais especificamente, aplicado ao serviço de monitoramento de pacientes da proposta anterior e explorar os possíveis benefícios resultantes. Com a refatoração, a maior parte da carga de serviços da rede e do monitoramento foi distribuída entre servidores remotos dedicados, com isso os desenvolvedores podem ir além das restrições do access point e fazer uso de recursos antes não disponíveis, o que potencializa um processo de desenvolvimento mais ágil e com funcionalidades mais complexas, ampliando as possibilidades do serviço. Adicionalmente, a utilização de Software-Defined Networking proporcionou a entrega de mais de um serviço através de um único access point, escalabilidade e autonomia no gerenciamento das redes e dos dispositivos e na implantação de serviços, fazendo uso de recursos do protocolo OpenFlow, e a cooperação entre dispositivos e serviços a fim de se criar uma representação digital mais ampla do ambiente monitorado.

Em nosso mundo altamente conectado, novas tecnologias provêm contínuas mudanças na velocidade e eficiência das redes de telecomunicações e de transporte. Muitas dessas tecnologias são originárias de pesquisas em problemas de otimização em redes aplicadas a diferentes áreas. Nesta tese, investigamos três problemas de otimização combinatória que podem ser abordados como estruturas de redes. Primeiramente, são abordados problemas de engenharia de tráfego em redes de transporte. O objetivo principal é investigar os efeitos de alterar o custo de um subconjunto de arcos da rede, considerando que os clientes desta rede agem com um comportamento bem definido. O objetivo é controlar o fluxo na rede de modo a obter uma melhor distribuição do fluxo, minimizando o congestionamento ou maximizando o fluxo em um subconjunto de arestas. No primeiro problema considerase instalar um número fixo de postos de pedágios e definir os valores das tarifas para minimizar o tempo médio de viagem dos usuários. No segundo problema abordado, o objetivo é definir os valores das tarifas para maximizar a receita arrecadada nos arcos com pedágios. Em ambos os problemas, os usuários escolhem as rotas com base nos caminhos de menor custo da origem para o destino. Em redes de telecomunicações, um problema de alocação sujeito às condições da rede é considerado. O objetivo é alocar um conjunto de recursos, minimizando o custo de comunicação. Uma aplicação de computação em nuvem é considerada, onde os recursos são máquinas virtuais que devem ser alocadas em um conjunto de centros de dados. Condições da rede como largura de banda e latência são consideradas de modo a garantir a qualidade dos serviços. Para todos estes problemas, os modelos matemáticos são apresentados e avaliados usando um solver comercial de propósito geral como um método exato. Além disso, abordagens heurísticas são propostas, incluindo uma classe de algoritmo genético de chaves aleatórias viciadas (BRKGA). Resultados experimentais demonstram o bom desempenho das abordagens heurísticas propostas, mostrando que o BRKGA é uma ferramenta eficiente para resolver diferentes tipos de problemas de otimização combinatória, especialmente sobre estruturas de rede.

Redes definidas por software (Software-Defined Networking – SDN) tem como objetivo fornecer uma arquitetura mais sofisticada e precisa para gerenciar e monitorar o tráfego da rede. SDN permite centralizar parte da lógica de tomada de decisão sobre o processamento de fluxo e roteamento de pacotes em dispositivos chamados controladores. Apesar disso, o comportamento dos dispositivos de rede e suas configurações são muitas vezes escritos para situações específicas diretamente no controlador. Isto torna-se um problema quando há um aumento no número de elementos, ligações e serviços de rede, resultando numa grande quantidade de regras e uma elevada sobrecarga relacionada à configuração da rede. Como alternativa , técnicas, tais como gerenciamento baseado em políticas (Policy-Based Management – PBM) e refinamento de políticas podem ser utilizadas por operadores de alto nível para escrever Acordos de Nível de Serviço (Service Level Agreements – SLAs) em uma interface amigável, sem a necessidade de alterar o código implementado nos controladores. No entanto, o refinamento de políticas na nova área de pesquisa SDN tem sido um tema negligenciado, em parte, porque o refinamento não é um processo trivial. Ao utilizar SLAs, a sua tradução para políticas de baixo nível, por exemplo, regras para a configuração de elementos de comutação, não é simples. Se essa tradução não for realizada corretamente, os elementos do sistema podem não ser capaz de cumprir os requisitos implícitos especificados no SLA. Neste contexto, este trabalho apresenta ARKHAM: um avançado conjunto de ferramentas de refinamento para manipulação de acordos de nível de serviço em redes definidas por software. Este conjunto de ferramentas é composto por (i) um framework para criação de políticas que usa raciocínio lógico para a especificação de objetivos de nível de negócio e automatização de seu refinamento; (ii) um controlador OpenFlow que realiza a coleta de informações e implantação de configurações na rede; e (iii) uma representação formal de políticas de alto nível utilizando Event Calculus e aplicando raciocínio lógico para modelar tanto o comportamento do sistema quanto o processo de refinamento de políticas para o gerenciamento de SDN. Como resultado, a abordagem é capaz de identificar as necessidades e os recursos que precisam ser configurados de acordo com o refinamento do SLA, podendo assim configurar e executar com sucesso ações dinâmicas de suporte à reconfiguração de infraestrutura.