SDN ağlarda ortak yol ve sunucu seçimi

Mobil ve bulut teknolojiler, ağ fonksiyonunun sanallaştırılması, talep üzerine video, nesnelerin interneti, büyük veri vb. uygulamalar ve hizmetler bilişim ve iletişim teknolojileri alanında mevcut ve ortaya çıkan eğilimlerdendir. Bu önemli eğilimler, yüksek performanslı uygulamalara yöneliktir ve yüksek ağ bağlantı hızlarına ihtiyaç duymaktadır. Bulut bilişim ve ağ işlev sanallaştırma kavramları, bilgisayar ağlarının daha esnek, daha çevik olmasını ve sistemde yüksek seviyeli otomatik yapılandırma gerektirir. Bu dinamikler ağda benzeri görülmemiş trafik değişikliklerine neden olmakta ve yüksek bant genişliği, her yerde erişilebilirlik ve dinamik yönetim mekanizmalarına olan ihtiyacı ortaya çıkarmaktadır. Özetle, mobil ve bulut hizmetlerinin artması ile gelişen trafik özellikleri, şebeke fonksiyonunun sanallaştırılması, daha fazla kapasiteye ihtiyaç duyulması ve satıcı bağımlılığı olmayan şebekelerin oluşturulma eğilimi gibi nedenler, yeni bir ağ yönetimi paradigması ihtiyacını doğurmaktadır. Bilgisayar ağları, yönlendirici cihazlar, anahtarlayıcılar gibi birçok farklı ekipman içeren, kompleks ve yönetimi zor bir yapıya sahiptir. Geleneksel ağ mimarileri, artan ihtiyaçları karşılama açısından yetersiz kalmaktadır. Veri ve kontrol düzlemleri birleşik, ağ fonksiyonlarının dağıtık mimaride olmasından dolayı, mevcut iletişim ağlarının ağ kaynaklarının verimli bir şekilde nasıl kullanılabileceğini yönetmek açısından yeterli esnekliği yoktur. Geleneksel bir ağ yönetim aracı merkezi bir kontrol birimi olarak düşünülebilir; bununla birlikte, operasyon esnekliği, altta yatan OSI katmanlarının ağ protokolleri tarafından kısıtlanacaktır. Ayrıca mevcut ağ platformları kapalı ve tedarikçi bağımlı bir yapıya sahip olup programlanabilirlik özellikleri yeterince desteklenmemektedir. Yeni fikirlerin ve kavramların, işleyen servisleri engellemeden uygunlanması ve test edilmesi esnek bir şekilde yapılamamaktadır. Karmaşıklık, çeşitlilik ve büyüklük göz önüne alındığında, geleneksel yöntemler, ağların yönetimi, konfigürasyonu, optimize edilmesi ve ağlara yeni kavramların uygulanması gibi konularda yeterince efektif değildir. Artan bu karmaşıklıkla beraber, verimli ve dinamik trafik ve kaynak yönetimi, bilgisayar ağları için en önemli zorluklardan biri olmaktadır. Programlanabilir ağ fikri bu zorlukların karşılanması adına ortya çıkmıştır. Yazılım Tabanlı Ağlar (SDN), geleneksel ağ mimarisini evrimleştiren, en umut verici çözümlerden biri olarak düşünülmektedir. SDN mimarisinde, geleneksel ağ cihazlarında birleşik olan veri iletme ve kontrol düzlemleri birbirinden ayrılır ve bu nedenle mantıksal olarak merkezi kontrol birimi akıllı ağ yönetimi kararları için kullanılabilir. Bu yaklaşım, küçük boyutlu bölgesel ağlar, veri merkezi ağları ve bir hücresel kablosuz iletişim sisteminin çekirdek ağı için doğrudan uygulanabilir. Veri düzlemi ve kontrol düzleminin ayrılması ve merkezi bir kontrol biriminin kullanılması ağ yöneticilerine, ağı çok daha esnek bir biçimde yönetme ve konfigure etme olanağı sunar. Böylelikle ağ kaynakları daha etkin kullanılabilir, daha yüksek iletim kapasitelerine aynı altyapıile ulaşılabilir ve artan ihtiyaçlara daha çabuk cevap verilebilir Kontrol düzlemi, ağ cihazlarının beyni olarak düşünülebilir. Kontrol düzlemi ağın nasıl yönetileceği ile ilgili kararlar verirken, veri düzlemi kontrol düzlemi tarafından verilen kararları uygular. Kontrol düzlemi, ağ elemanları üzerinde doğrudan kontrole sahiptir. Kontrol düzlemi, SDN mimarisinde konsolide edilmiş ve mantıksal olarak merkezileştirilmiştir, böylece tek bir yazılım kontrol programı birden çok veri düzlemi öğesini kontrol eder. SDN mimarisinde standart ağ donanımı yerine, merkezi bir kontrol birimi tarafından yönetilebilen SDN uyumlu anahtarlayıcılar kullanılır. Anahtarlayıcılar ve kontrol birimi arasındaki bilgi alışverişi standart bir arabirim tarafından sağlandığı için SDN ağları tedarikçiden bağımsızdır. OpenFlow, SDN'nin kontrol ve yönlendirme katları arasında tanımlanan ilk standart iletişim arabirimidir. OpenFlow, bilgi alımı ve yapılandırma amacıyla SDN özellikli anahtarlayıcılara doğrudan erişim sağlar. SDN kontrol yazılımı, temel ağın statik veya dinamik olarak yönetilebilmesini sağlar ve eşleme kurallarına dayalı olarak ağ trafiğini tanımlamak için OpenFlow akış konseptini kullanır. Şebekeyi akış temelinde yönetmek, ayrıntılı kaynak kontrolü ve şebeke değişikliklerine zamanında yanıt vermeyi sağlar. SDN mimarisinin sunduğu en önemli avantajlardan biri, ağın programlanabilir hale gelmesidir. Bu sayede ihtiyaca göre ağ yönetim uygulamaları geliştirilebilir. Veri düzlemi ve kontrol birimi arasındaki iletişim standart bir arabirim tarafından sağlandığı için ve kontrol düzlemi de tamamen yazılım olarak geliştirilebildiği için, ağ uygulamaları da tamamen yazılım olarak geliştirilebilir ve uygulanabilir. Böylece uygulamalar hızlı ve esnek bir şekilde sistemlere entegre edilebilir. Ağ uygulamaları, SDN kontrol birimi arabirimlerini ve servislerini kullanarak ağ elemanlarına erişim sağlayabilir. SDN denetleyicisi, ağ kaynaklarıyla etkileşim kurar, fiziksel ve sanal ağ kaynaklarının yönetimini ve düzenlenmesini desteklemek için, ağ yetenekleri ve özellikleri dahil olmak üzere ağ kaynaklarının soyutlanmış modelini uygulamalara sağlar. SDN kontrol birimi, uygulamaların isteklerini ağ elemanlarının anlayacağı dile dönüştürerek ağ elemanlarına iletir. Ağ genelinde durum bilgisine sahip merkezi bir control birimi kullanarak akışları akıllıca yöneltmenin, verimlilik, gecikme ve paket kaybı açısından önemli performans artışı sağlaması beklenmektedir. Bu iyileştirmeler, sıkı hizmet kalitesi gereksinimleri olan yeni gerçek zamanlı hizmetleri desteklemek için özellikle önemlidir. Bununla birlikte, sıkışıklık ve başarısızlık olaylarının zamanında tespit edilmesi ve trafik akışının herhangi bir salınmaya neden olmadan yönlendirilmesi zorlu görevlerdir. Merkezi bir control birimine sahip SDN teknolojisi, bu sorunların üstesinden gelmek için uygundur. Programlanabilir bir merkezi control birimi akış yönetiminde esneklik sağlarken; ağ boyutunun büyük ve çeşitli önceliğe sahip birçok akışın olduğu durumlarda, trafik/akış yönetimi oldukça zorlu bir görevdir. Trafik ve kaynak yönetim mekanizmaları, ağ trafiğinin davranışını dinamik olarak analiz ederek, öngörerek ve bunları düzenleyerek ağ performansını en iyi duruma getirmeye odaklanan önemli trafik mühendisliği sistemleridir. Diğer bir değişle, Operasyonel ağın performans değerlendirmesi ve performans optimizasyonu ile ilgilenirerek, operasyonel bir ağın performansını artırmak, QoS ve kullanıcı deneyimini geliştirmek, ağ kaynaklarının etkin kullanmak, trafik mühendisliğinin temel hedeflerindendir. SDN mimarisi, geleneksel ağ altyapısına kıyasla sunduğu avantajlarla, ağın dinamik bir şekilde programlanmasını, daha verimli ve daha akıllı trafik ve kaynak yönetim mekanizmalarının kullanımını olanaklı hale getirir. Ancak SDN mimarilerinin en etkin biçimde kullanılabilmesi için, zamanla değişen ağ durumlarına dinamik olarak cevap verebilen ve ayrıntılı trafik karakteristiklerine sahip dinamik trafik ve kaynak yönetim ve yük dengeleme mekanizmalarına ihtiyaç vardır. Geleneksel SDN yaklaşımında, yönlendirme kararları SDN control biriminde çalışan geleneksel en kısa yol algoritması kullanılarak gerçekleştirilir. Bu nedenle, paketler veri katmanı elemanları (OpenFlow anahtarlayıcı) tarafından bağlantı kullanım seviyeleri dikkate alınmadan en kısa yol üzerinden iletilir. Bu durum, ağın diğer bölümlerinde az kullanılan bağlantılar olmasına rağmen bazı bağlantılarda sıkışıklıklara neden olabilir. Bu tez çalışmasında, SDN ağlar için ortak bir sunucu ve yol seçme mekanizması sunulmuştur. OpenFlow uyumlu mimari, mevcut ve geçmiş ağ istatistiklerini hesaba katarak, akışların daha az kullanılan bağlantılara ve sunuculara yönlendirilmesini ve trafiğin ağ kaynakları arasında adil olarak dağıtılmasını sağlar. Ana hedef, hem şimdiki zamanı hem de gelecek zamanı göz önüne alarak daha iyi bir kaynak tahsisi kararının verilmesi için ağın mevcut ve geçmiş bilgisini kullanmaktır. Önerilen sistemin içeridiği algoritma bağlantı ağırlıklarını periyodik ve otomatik olarak değiştirmek için bir maliyet fonksiyonu kullanır. Maliyet fonksiyonu, trafik miktarı ve paket kaybı gibi geçmiş ve şimdiki zamanlı ağ istatistiklerini hesaba katarak elde edilir. Uçtan uca yol seçimi, bağlantı ağırlıklarına göre yapılır. Diğer bir değişle, en kısa yol algoritması bağlantı ağırlıklarını kullanarak uçtan uca yol seçimini yapmaktadır. Ağda işlevsel olarak eşdeğer birçok sunucu vardır ve sunucu kullanım istatistikleri, ortak sunucu ve yol seçimi için toplam maliyet fonksiyonu hesaplamasına dahil edilir. Yeni bir akış geldiğinde, önerilen algoritma toplam maliyet fonksiyonunu kullanarak sunucu ve yönlendirme yolunu akıllıca belirler. Son olarak, OpenFlow özellikli anahtarlayıcılara yeni akış kuralları yüklenir. Önerilen sistemdeki maliyet fonksiyonu, yapılandırılabilir parametreler içermektedir. Parametreler değiştirilerek istenilen ağırlığın istenilen oranda sisteme etki etmesi sağlanabilir. Böylece ağ gereksinimlerine yapılandırılabilir ve dinamik bir şekilde cevap veren bir mekanizma oluşturulması hedeflenmiştir. Önerilen trafik mühendisliği için, yeni SDN uygulamaları geliştirilmiştir. Bu uygulamalar, istatistikleri elde etmek ve anahtarlayıcıları konfigüre etmek için, SDN denetleyiciyi (denetleyici API ve ağ servis fonksiyonları) kullanarak ağ elemanları ile haberleşir. Elde edilen istatistikleri özelleştirilmiş formlarda depolamak için ise veri tabanı kullanılır. Konsept demonstrasyonu OpenFlow özellikli anahtarlayıcıların öykünümünü sağlayan Mininet ortamı ve SDN kontrol düzlemi olarak Opendaylight SDN platform kullanılarak yapılmıştır. Demonstrasyon sonuçları, önerilen mekanizmanın bağlantılar ve sunucular arasında trafiği adil bir şekilde dağıtabildiğini, ağdaki tıkanıklığı önlediğini, maliyet fonksiyonu ve parametrelerine bağlı olarak ağın değişen durumlarına dinamik ve akıllı bir şekilde yanıt verebildiğini göstermektedir.