Yazılım tanımlı ağlarda servis kalitesinden haberdar akış analizi

Son zamanlarda uygulama ve servis açısından artan kullanıca talepleri ağ operatörlerini var olan ağ yönetim yaklaşımını değiştirmeye zorlamaktadır. Cisco Görsel Ağ indeks raporuna göre ağa bağlı olan akıllı cihaz sayısının 2021 yılında sekiz milyara ulaşacağı ön görülmektedir. Bu nedenle, deneyim kalitesi (Quality of Experience - QoE) açısından kullanıcı gereksinimlerinde değişiklikler meydana gelecektir. Deneyim kalitesi ve servis kalitesi (Quality of Service - QoS) birbiriyle doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle servis kalitesini iyileştirmek deneyim kalitesi üzerinde de iyileşme sağlar. Değişen şartlara uygun ortam geliştirmek amacıyla ağ altaypısında değişimler meydana gelebilir ve var olan teknolojiler değişen şartlara uyum sağlayacak şekilde yeniden geliştirilebilir. Fakat, değişen şartlara hızlı cevap verebilmek için yapılacak bu tarz değişikliklerin maliyeti yüksek olabilmektedir. Var olan ağ alt yapısını değiştirmek maliyeti yüksek bir operasyon olduğu için, Yazılım Tanımlı Ağ (Software Defined Network - SDN) mimarisi kullanmak daha ucuz bir çözüm sağlayacaktır. SDN mimarisi kontrol katmanı ile veri katmanını ayırarak daha esnek ve programlaması kolay bir ağ yaratır. Veri katmanı look-up tablolarını kullanarak gelen paketleri ilgili ağ anahtarı ya da yönlendiricisine iletir. Eğer tabloda pakete ilişkin herhangi bir kayıt yoksa, paket kontrolöre iletilir. Kontrol katmanı paketin nasıl ve nereye iletileceğine karar verir ve bu bilgiyi veri katmanı ile paylaşır. Data katmanı ve veri katmanı arasında OpenFlow adı verilen iletişim standardı kullanılır. OpenFlow protokolünün sağladığı arayüzler kullanılarak ağ anahtarlarındaki ve yönlendiricilerdeki akış tabloları (flow table) programlanabilir. Veri ve kontrol katmanlarının ayrı olması SDN'nin en önemli özelliklerinden biridir. Böylelikle donanıma bağlı olan kısıtlar göz önünde bulundurulmadan ağ kolayca programlanabilir ve gözlenebilir. Bu özellik sayesinde var olan mimariye geliştirlebilecek SDN tabanlı çözümler ile paket yönetimi merkezi kontrolör tarafından yapılabilir. Ayrıca, donanım kısıtları önemsiz hale geldiği için, ağ uygulamaları gerçek zamanlı olacak şekilde ağa uygulanabilir. Artan kullanıcı taleplerinden dolayı Servis Kalitesi (Quality of Service- QoS) ni sağlamak en önemli konulardan biri haline gelmiştir. Literatürde olan çalışmalara bakıldığında servis kalitesi arttırmak için çeşitli yöntemlerin önerildiği gözlenmektedir. Bu çalışmalardan bir tanesi ağ bant genişliği kısıtını göz önünde bulundurarak yeni bir yönlendirme algoritması ile başarılı çıktıyı maksimize etmeye çalışmıştır. Bir diğer çalışma ise QoS parametrelerini göz önünde bulundurarak Dijkstra's algoritmasının geliştirilmiş halini sunmuştur. Servis kalitesini sağlamanın yollarından bir tanesi akış yönetimidir (flow management). Akış yönetimi için akıllı bir çözüm üretmek ağ yükünü dengelemek ve OpenFlow tablolarının kurulumundaki gecikmeyi azaltmak açısından önemlidir. Çeşitli akış yönetimi metotları vardır. Bunlardan bazıları şu sekilde sıralanabilir: Anahtar Yükü Dengeleme, (Switch Load-Balancing), Kontrolör yükü Dengeleme (Controller Load-Balancing) ve Çoklu Akış Tabloları (Multiple Flow Tables). Bu çalışmada, artan taleplerden dolayı değişen servis kalitesi gereksinimlerini sağlamak amacıyla servis kalitesinden haberdar dinamik akış adresleme yöntemi önerilmiş ve incelenmiştir. Yeni gelecek olan akışlar için yönlendirme algoritmasına karar verirken veri trafik tipi (UDP veya TCP), bağlantı üzerindeki gecikme ve akış istatistikleri göz önüne alınmıştır. Tasarlanan kontrolör bu bilgileri kullanarak uygulanacak yönlendirme algoritmasına karar verir. Tasarlanan denetleyici yönlendirme algoritması olarak Dijkstra's algoritması ya da Bellman-Ford algoritması tercih eder. Yönlendirme algoritmaların performansı ve kullanım alanları arastırılmıştır. Bu algoritmaların performansı sparse ve dense çizelgeler üzerinde ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Kontrolör yönlendirme algoritmasını seçerken hesaplanan akış sayısını belli bir eşik değeriyle karşılaştırır. Eşik değeri veri trafik tipine göre değişiklik göstermektedir. Eşik değeri sistemin performansını etkileyeceği için doğru seçilmelidir. Dinamik akış adreslemedeki amaç TCP ve UDP için uçtan uca iletişimdeki ortalama gecikmeyi azaltmak, ayrıca UDP için paket düşme oranını düşürmektir. Akıllı ev ve bina teknolojilerindeki artıştan dolayı tasarlanan kontrolör akıllı bina ağında (Smart Building Networks) uygulanmıştır. Bu yüzden ağ mimarisi, akıllı bina ağ mimarisine uygun olacak şekilde tasarlanmıştır. Tasarlanan ağda akıllı cihazlar, kontrolör ve OpenFlow switch/router bulunmaktadadır. Veri katmanı ile data katmanı arasındaki iletişimi sağlamak için OpenFlow protokolü kullanılmıştır. Tasarlanan kontrolör Topology Discovery, Flow-Based Routing Decision ve Path Calculation olmak üzere üç kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısımda ağ topolojisi kontrolör tarafından keşfedilir. Bunu yapmak için kontrolör bağlantı keşif işlemini başlatır. Böylelikler her bağlantı bulunmuş olur. Kontrolör ağa her katılan ya da ayrılan cihazdan haberdardır. Bu nedenle ağ topolojisi değişse bile kontolör ağa ilişkin tuttuğu bilgileri güncelleyebilir. Bu işlem tamamlandıktan sonra yönlendirme algoritmasına karar veren kısım çalışır. Bu kısımda bağlantıdaki gecikme bilgisine ek olarak belirli bir süre boyunca toplanan akış istatistikleri değerlendirilir. Toplanan istatistiki verileri kullanarak toplam akış sayısı hesaplanır. Bu akış sayısına göre yönlendirme algoritması belirlenir. Yeni bir paket geldiğinde konrolör daha önceden belirlediği algoritmayı kullanarak paket için yolu hesaplar. Hesaplanan yol ilgili ağ anahtar/yönlendiricilerine yüklenir. Böylelikle yeni gelen paket ilgili varış adresine ulaştırılır. Simulasyon ortamından elde edilen verilere göre yazılım tanımlı ağlarda önerilen dinamik akış adresleme yöntemi ortalama gecikme ve paket düşürme oranı çerçevesinde değerlendirildiğinde Dijktra veya Bellmand-Ford algoritmasına göre daha iyi sonuçlar ortaya çıkarmıştır. Bu iki algoritmanın ağın durumuna göre doğru zamanda devreye alınması QoS parametreleri açısından iyileştirme sağlamıştır. Tasarlanan model kullanıldığında TCP ve UDP trafiğinde paketin varış noktasına ulaşmasındaki gecikme azalmıştır. Buna ek olarak UDP trafiğindeki paket kayıp oranı diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında daha düşük çıkmıştır. Sonuç olarak SDN mimarisinin özellikleri servis kalitesini sağlayacak çözümler sunar. Veri katmanı ile kontrol katmanını ayırarak programlanabilir ve esnek bir ağ yaratır. Bu özelliklerden faydalanarak servis kalitesini arttırmak için geliştirilmiş olan çözüm UDP ve TCP trafik farkını anlayıp, ağdaki toplap akış bilgisini, linkler üzerinde gecikme bilgisini kullanarak yönlendirme algoritması seçmektedir. Bu belirlenen algoritma kullanılarak yeni gelen paket için en kısa yol hesaplanır ve paket ilgili adrese gönderilmektedir. Bu çalışmada tasarlanan modelle servis kalitesinde iyileşme sağlanmıştır.