Spatio-temporal data plane design for software defined cellular networks (SDcN)

Son yıllarda hızla artan IP trafik yoğunluğu ağ yönetimini zorlaştırmaktadır. CISCO'nun Görsel Haberleşme Ağı Göstergesi'ne (Visual Networking Index) göre, dünya çapında toplam IP trafiği geçtiğimiz beş yılda beş kattan fazla artış göstermiştir, ve önümüzdeki beş yılda bu değerin üç katına çıkacağı öngörülmektedir. Günümüzde var olan trafik kontrol mekanizmaları, aşırı artan trafik yoğunluğu karşısında esnek olmadığı için yeterli kaynak verimliliği sağlayamaz ve trafik yoğunluğunun neden olduğu ciddi servis kalitesi düşüklüklüklerini engellemede yetersiz kalır. Sonuç olarak, geleneksel ağ kontrol mekanizmaları, hızla gelişen mobil teknolojiler ve buna bağlı olarak artan veri trafiği karşısında kullanıcı gereksinimlerini karşılayamaz hale gelmiştir. IP trafik yoğunluğunun günümüzde gelmiş olduğu bu noktada, trafik artışına karşı esnek olabilen ve fiziksel topolojinin karmaşıklığını ortadan kaldırarak ağı kolayca yönetebilen dinamik bir mekanizmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Bu problemi çözebilmek için fiziksel ağ topolojisinin karmaşık yapısını azaltan ve merkezi bir yaklaşım ile tüm topoloji üzerinde hakimiyet sağlayarak ağı tek bir noktadan dinamik bir şekilde yönetebilen yeni nesil YThA teknolojisi geliştirilmiştir. Bu teknoloji ile anahtarların mantıksal kısmı kontrol katmanına taşınarak, bu cihazlar veri katmanında akılsız hale getirilip yönetimi kolaylaştırılmıştır. Veri katmanında yer alan fiziksel cihazlar ile kontrol katmanında yer alan ve bu cihazların yönetiminden sorumlu olan Kontrolör, YThA teknolojisi için tanımlanan OpenFlow protokolünü kullanarak haberleşmektedir. Böylece, YThA ve bu yapının kullandığı OpenFlow protokolü sayesinde, her fiziksel anahtarın birer birer konfigüre ve kontrol edilmesi yerine, fiziksel cihazların ağ kontrol birimi olan Kontrolör tarafından yönetimi kolayca sağlanmıştır. Ancak, YThA mekanizmasının ağ yönetiminde sağladığı esneklik ve fonksiyonelliğin yanında, OpenFlow anahtar yapısından kaynaklı olarak akış servis kalitesini kötü yönde etkileyen ve göz ardı edilmemesi gereken ek bir yönlendirme gecikmesi oluşmaktadır. Bu gecikmenin temel nedeni, bir akış yönlendirilirken OpenFlow anahtar yapısındaki akış tablosu iş hattında, birçok bitlik alanın birden fazla tabloda karşılaştırma ve eşleştirme gerektirmesidir. Geleneksel OF anahtarına giriş portları aracılığıyla iletilen bir akış, akış tablosu iş hattında yer alan tablolarda ilgili eşleşmelerden geçtikten ve başlık alanlarındaki bilgiler düzenlendikten sonra çıkış portları üzerinden tekrar ağa gönderilir. Akışın anahtar içerisinde geçirdiği süreçte, başlık alanları üzerinde herhangi bir değişiklik gerektirmeyen bazı eşleştirmeler de söz konusu olabilmektedir. Ayrıca, ağdaki anahtara iletilen akışların iş hattındaki ilerleyişi seri olarak devam etmektedir. Diğer bir deyişle, akış tablosu iş hattının tasarımından dolayı, iş hattında farklı akışlara paralel olarak hizmet verilememektedir. Geneksel OF anahtarında yer alan tüm bu mimari kısıtlar ve akış tablosu iş hattındaki tasarımsal eksiklikler, akışın yönlendirilmesi sırasında ilave gecikmeye neden olduğu gibi bellek kullanımı ve donanım maliyeti açısından da fazladan masrafa neden olmaktadır. YThA teknolojisinde, anahtar mimarisinden kaynaklanan iki önemli dezavantaj belleksel karmaşıklık ve zamansal karmaşıklık olarak sıralanabilir. Bu tez çalışmasında, belleksel karmaşıklık mimaride yer alan donanım maliyeti ya da bellek maliyeti olarak tanımlanırken, zamansal karmaşıklık ise akış yönlendirmesi sırasında ortaya çıkan gecikmeyi işaret etmektedir. YThA teknolojisinin veri katmanında, anahtar yapısından kaynaklı belleksel ve zamansal karmaşıklığı azaltmak üzere, OpenFlow akış yönlendirme mekanizması ile ilgili literatürde birçok çalışma yer almaktadır. Bunların başlıcaları anahtar üzerindeki arama için Hash yönteminden yararlanma, arama verilerini önbelleğe alma, akış eşleşmesi aranırken mükemmel hash yöntemi kullanma olarak sıralanabilir. Ancak, bu ve benzeri arama yöntemleri kullanan ve bir karar mekanizmasına dayalı olarak ön bellekleme yapan çalışmalar, OpenFlow anahtarlarının çalışma yapısındaki akılsızlık özelliğini bozmaktadır. Halbuki akılsız anahtarların Kontrolör tarafından yönetimi daha kolay olduğu gibi, bu cihazların akış yönlendirmesi daha hızlıdır. Belirtilen problemlerin çözümü için sunulacak yöntem, hem OpenFlow anahtarının akılsızlığını bozmayan hem de akış yönlendirilmesinde daha az eşleştirme yaparak akışın servis kalitesini iyi yönde etkileyen ve gecikmeyi azaltan yapıda olmalıdır. Ağda performans iyileştirmesi sağlarken OpenFlow anahtarının akılsızlık özelliğini bozmadan çalışababilecek bir yapı tasarlamak adına, bu tez çalışmasında, iş hattında yer alan tablolar çok katmanlı bir iş hattı mimarisi oluşturacak şekilde konumlandırılmıştır. Çok katmanlı anahtar mimarisi kullanarak, enine bağlantılı (crossbar) geleneksel mimariye göre, belleksel karmaşıklık azaltılmış ve anahtar yapısının donanımsal maliyeti düşürülmüştür. Önerilen mimaride iş hattında kullanılan çok katmanlı yapı 3 katmandan oluşmaktadır. Önerilen yapıda geleneksel OpenFlow anahtarının akış tablo dizilimindeki iş hattı yapısı değiştirilerek bir tablodan gidilebilecek tablo sayısı ikiye çıkartılmıştır. Anahtar mimarisinde yapılan bu değişikleri OpenFlow protokolü ile uyumlu hale getirmek adına, akışların başlık yapısında gerçekleştirilen ufak bir değişiklik ile iş hattındaki tablolar arası yönlendirmeyi sağlayan bir bitlik bir sonraki tablo belirteci eklenmiştir. Böylece, iş hattında gidilecek bir sonraki tablo, protokol ile belirlenirken, OpenFlow anahtarının akılsızlık özelliği korunmuştur. Ayrıca, çok katmanlı OpenFlow iş hattındaki tablolara birer mikroişlemci atanarak Yonga Üstü İletişim Ağı (Network On Chip-NOC) mekanizmasının sağladığı avantajlar OpenFlow anahtarına uygulanmıştır. NOC'ta, kullanılabilen birçok ortak yol (multi-bus) ve bu yollar üzerinde rezerve edilebilecek birçok mikroişlemci bulunduğu için anahtar içerisinde birim zamanda birden fazla akışa paralel olarak hizmet verilebilir. Geleneksel iş hattı yapısında bulunmayan bu özellik ile paralel akış işleme süreci elde edilmiştir. Bu sayede, akışlar arasındaki kaynak yarışını en aza indiren NOC tasarımı, akışın yönlendirme gecikmesini azaltarak servis kalitesinin arttırımında büyük ölçüde katkı sağlar. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, çok katmanlı mimari modeli için üç katmandan oluşan ağ mimarisi kullanılarak, anahtar içerisindeki akış tablosu iş hattı yapısı ve bu iş hattındaki tablo bağlantıları yeniden düzenlenmiştir. Ayrıca, anahtar mimarisi için Yonga Üstü İletişim Ağı yapısına benzer bir mimari oluşturmak ve bu mimarinin avantajlarından yararlanmak adına, her bir akış tablosuna, geleneksel yapıdaki tek bir mikroişlemci yerine, birim zamanda sadece bir komut gerçekleştirebilecek kapasitede birer mikroişlemci yerleştirilmiştir. Böylece, OpenFlow anahtarındaki bir iş hattı yapısı paralel çalışabilen birçok iş hattı yapısına dönüştürülmüştür. Ayrıca, anahtarların akılsızlık özelliğinin korunması adına, akışın çok katmanlı ağ mimarisindeki hareketi, ilgili akış tablo satırına bir sonraki tabloyu belirten bir bitlik belirteç eklenmesi ile gerçeklenmiştir. Geleneksel anahtar yapısının ve önerilen anahtar yapısının performans incelemesi ve karşılaştırması için anahtar içerisindeki iş hattı mimarisini modellerken kuyruklama teoreminde yararlanmıştır. Her iki mimaride yer alan iş hattı bölümü kuyruk ve sunucudan oluşan bir yapı ile modellenmiştir. Kullanılan modelde, her bir tablo, akışa hizmet veren ve eşleştirme işlemini gerçekleştiren bir sunucu olarak düşünülmüştür. Geleneksel yapıda ve önerilen yapıda kullanılan iş hattı tasarımına göre modelin uygun bölümlerine kuyruk eklenmiştir ve belirli bir varış oranında anahtara gelen akışlar bu kuyruklarda bekletilmiştir. Kuyruklama teoremi kullanılarak oluşturulan modelde, belleksel karmaşıklık ve zamansal karmaşıklık ölçütü olarak C (C_{MsOF}, C_{CON}) ve T (T_{MsOF}, T_{CON}) adında iki yeni parametre tanımlanmıştır ve geleneksel mimari ile önerilen mimari arasındaki performans incelemesi bu iki parametere üzerinden yürütülmüştür. Belleksel karmaşıklık parametresi ile anahtar mimari yapısının donanım maliyeti formülize edilirken; zamansal karmaşıklık parametresi ile akışın yönlendirme gecikmesi matematiksel olarak ifade edilmiştir. Elde edilen performans sonuçlarına göre, çok katmanlı (3 katmanlı) iş hattı yapısında kullanılan toplam bellek miktarı ve donanımsal bağlantı maliyeti geleneksel anahtar mimarisine göre azalmıştır. Diğer bir deyişle, geleneksel mimaride yer alan belleksel karmaşıklık azaltılmıştır. Ayrıca, önerilen switch modelinin geneleneksel switch modelinden, özellikle kalabalık ağlarda, yedi kata kadar daha az yönlendirme gecikmesi ile akış yönlendirebildiği ve daha iyi hizmet kalitesi (QoS) sağladığı görülmüştür. Böylece, geleneksel mimarinin akış kalitesini köte yönde etkileyen zamansal karmaşıklığın önerilen mimaride azaltıldığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlara göre, tabloların dizilişi çok katmanlı ağ mimarisine göre tasarlanarak, akış yönlendirmesi daha az eşleştirme ile gerçekleştirilmiştir. Böylece anahtar sisteminin belleksel ve zamansal karmaşıklığı azaltılarak performans iyileştirmesi sağlanmıştır.