Minimizing signaling cost in green routing for software defined networks

Yeni nesil ağların kurulumuyla birlikte, çevresel etkileri ve potansiyel ekonomik faydaları nedeniyle telekomünikasyon ağlarında enerji tüketimini azaltmaya acil bir ihtiyaç vardır. Bu nedenle ulusal ve uluslararası kurum ve kuruluşlar maliyetleri düşürmek ve çevreyi korumak için enerji tasarrufu yönünde çalışmalar yapmaktadır. Örneğin, son yıllarda dünya enerji tüketiminin yaklaşık \%10'unu oluşturması sebebiyle iletişim teknolojileri, enerji duyarlı çalışmaların ilgi odaklarından biri olmuştur. Bazı araştırma çalışmaları, iletişim ağlarındaki enerji tüketiminin iletişim linkleri gibi aktif ağ elemanlarıyla ilişkili olduğunu göstermektedir. İletişim ağlarının düşük trafik yoğunluklarında bile çalışmalarına devam etmeleri enerji tüketimini artırmaktadır. Bu bağlamda, genel olarak yeşil teknikler olarak bilinen pek çok enerji yönetim tekniği önerilmiştir. Bu yöntemlerin temel amacı, ağ trafiğini belli bir ağ kaynakları kümesi aracılığıyla yönlendirerek ve kullanılmayan kaynaklarını kapatarak enerji tüketimini minimize etmektir. Bazı araştırmacılar, var olan yeşil yöntemleri ağ temelli ve yerel (cihaz seviyesinde) yaklaşımlar olarak iki gruba ayırmıştır. Cihaz temelli yaklaşımlar ileri teknolojili donanımlar sayesinde ağ cihazlarının enerji verimliliğini iyileştirmeyi amaçlamaktadırlar. Bu yaklaşımlarda ağ cihazı yerel şekilde alınan kararlar sonucunda uyku moduna veya düşüş enerji tüketen bir moda alınmaktadır. Yönlendirme perspektifinden bakarak ağdaki toplam enerji tüketimini azaltmayı amaçlayan ağ temelli yaklaşımlar ise kablolu ağlarda enerji tasarrufu için umut verici yaklaşımlar olarak değerlendirilmektedir. Ağ temelli yaklaşımlar yeşil yönlendirme adıyla da geçmektedir; amaçları ise ağ kaynaklarının belli bir alt kümesi üzerinde talepleri toplamak ve kullanılmayan diğer kaynakları kapatmak veya uyku moduna almaktır. Şu anda var olan yeşil teknikler, seçmeli olarak ağ kaynaklarını kapatıp açmaları nedeniyle yönlendirme sistemi üzerinde bir sinyalleşme maliyeti oluşturmaktadırlar ve hangi cihazların kapatılıp açılacağını belirlemek için merkezi bir ağ yönetim paradigmasını gerektirmektedirler. Ancak, şu anda var olan OSPF veya IBGP gibi ağ paradigmaları böyle bir merkezi yönetimi sağlamamaktadır. OSPF veya IBGP komşuluk bilgilerine dayanan bir yönlendirme modeli üzerine inşa edilmişlerdir. Her yönlendiricinin komşu bağlantılar ile arasındaki bilgilere göre karar veriyor olması, komşuluk bilgilerinin güncellemesi ağın büyümesi ile zaman alan bir işlem olmakta, güncelleme yapılana kadar ağ bilgileri değişmektedir. Yakın zamanda, yazılım tanımlı ağ (software define networks) fikri öne atılmıştır. SDN modelinde, ağ elemanları merkezi bir kontrol birimine doğrudan bağlanmakta ve kontrol katmanları anılan merkezi birimde sanal olarak toplanmaktadır. Merkezi kontrol biriminin ağ elemanlarına doğrudan bağlantısı olması, topolojinin anlık ve genel görünümünü sağlamasıyla kontrol biriminin trafiği etkin bir şekilde yönetmesini ve ağda meydana gelecek değişikliklere karşı hızlı düzenleme yapmasını sağlamaktadır. Ağın merkezi olarak yönetimi SDN'i yeşil ağ yönlendirmesi tekniklerini geliştirmek açısından uygun bir teknoloji kılmaktadır. Bu tezde ele aldığımız SDN ağında, kontrol ünitesi iki tipte kontrol mesajı üretmektedir: yönlendirme güncellemesi ve uyku mesajları. Yönlendirme güncellemesi mesajları yeni akış tablosu girdilerini içermektedirler ve hesaplanan patikalar üzerindeki tüm düğümlere gönderilmektedirler. Uyku mesajları ise uyuma kararı verilen tüm linklerin her iki ucuna birden gönderilmektedirler. Bu tezde, yazılım tanımlı bir ağda enerji verimliliği ve sinyalleşme maliyeti arasındaki ödünleşimi adresliyoruz. Tek bir kontrol ünitesinden oluşan bir SDN ağında ağın enerji tüketimini dikkate alarak sinyalleşme maliyetini minimize eden iki adet yeşil yönlendirme problemi formüle ediyoruz. Bu optimizasyon problemlerini tamsayı doğrusal programlama (Integer Linear Programming) problemleri olarak formüle ediyoruz. Önerdiğimiz ILP formülasyonları Sinyalleşme Maliyeti Farkındalığı olan Yeşil Yönlendirme (Signaling Overhead-Aware Green Routing, SOAGR) ve Genişletilmiş Sinyalleşme Maliyeti Farkındalığı olan Yeşil Yönlendirme (Extended Signaling Overhead-Aware Green Routing, E-SOAGR) olarak isimlendirilmiştir. E-SOAGR'ın ILP formülasyonu, SOAGR'ın ILP formülasyonunun genişletilmiş halidir ve aşağıdaki ilave özellikleri içermektedir: • çoklu patikalı yönlendirme • yönlendirme tablosunun büyüklüğünü dikkate alma • farklı trafik talepleri için farklı bantgenişliği gerekliliklerini dikkate alma Her iki yeşil yönlendirme modelini de IBM ILOG CPLEX optimizasyon yazılımı aracılığıyla uyguluyor ve optimal çözümleri buluyoruz. Ancak SOAGR ve E-SOAGR hesaplama karmaşıklığı açısından çok zor problemlerdir. Dolayısıyla, her iki model için de optimale yakın sonuçlar bulmak amacıyla polinom zamanlı buluşsal algoritmalar öneriyoruz. Tez kapsamında, ILP formülasyonlarımızın ve buluşsal algoritmalarımızın performanslarını karşılaştırmak için hem rastlantısal hem de gerçek ağ topolojilerinde simülasyon çalışmaları yaptık. Bu çalışmalar, önerdiğimiz modellerin sinyalleşme maliyeti ve enerji verimliliği arasındaki ödünleşimi adreslediğini ve buluşsal algoritmalarımızın ürettiği çözümlerin kalitesinin optimal çözümlere oldukça yakın olduğunu göstermektedir. ILP'lerin ve heuristic'lerin performanslarını sinyalleşme maliyeti, enerji verimliliği ve bloke olma oranı açısından inceledik. SOAGR problemi için olan deneylerde, ağın enerji eşik değerinin ve ağ yoğunluğunun sinyalleşme maliyeti üzerindeki etkisini rastsal olarak üretilmiş topolojileri kullanarak inceledik. E-SOAGR ILP formülasyonu için ise gerçekçi topolojiler üzerinde bir takım deneyler yaptık. Bu amaçla, GEANR ve JANOS-US isminde iki topolojiyi seçtik. Yaptığımız deneylerde ağ enerji eşik değerinin sinyalleşme maliyeti üzerindeki etkisini inceledik. Ayrıca, trafik yükünün ve çoklu yönlendirmenin taleplerin bloke olma oranı üzerindeki etkilerini de inceledik.