Wireless access management design in software defined networks
Yazılım tanımlı ağlarda kablosuz erişim yönetimi tasarımı
- Tez No: 438160
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BERK CANBERK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
İnternet servis sağlayıcılar tarafından oluşturulan 802.11 kablosuz erişim ağları; hücresel ağda yer alan trafik yükünü dağıtmak, kullanıcılara kesintisiz veri erişim olanağı sağlamak ve kapalı alan kapsama oranını arttırmak için büyük önem taşımaktadır. Cisco tarafından yayınlanan VNI raporuna [1] göre; 2020 yılında 802.11 özelliklerine sahip cihaz sayısı, hücresel erişim özelliklerine sahip cihaz sayısının üç katı olması beklenmektedir. Tüm bu özellikler göz önüne alınarak servis sağlayıcılar erişim noktası sayılarını arttırmaya devam etmektedirler. Servis sağlayıcılar tarafından oluşturulan 802.11 ağlarında yer alan erişim noktası sayısının artışını gösteren veri yine Cisco tarafından yer alan VNI raporunda yer almıştır. Kullanıcı sayısı ve erişim noktası sayısının artması ile servis sağlayıcılar tarafından oluşturuan kablosuz erişim ağlarında çözülmesi gereken yeni problemler ortaya çıkmıştır. Örnek olarak erişim noktalarının artması sonucunda, bu erişim noktalarının yayınları birbirini etkiler duruma gelmiştir. Bunu çözebilmek için sahadaki kanal ve güç planlamasının optimal bir şekilde yapılması gerekmektedir. Bu problem ile başa çıkabilmek için gerçeklenecek olan çözümün saha koşullarını göz ardı etmeyerek dinamik olarak aksiyon alması gerekmektedir. Bu işin el ile planlanıp sahaya uygulanması durumunda servisin sürekliliği ve hizmet kalitesi düşecektir. Bu problemi çözmek amacı ile literatürde merkezi bir kontrol sistemine bağlı kaynak atama çözümleri mevcuttur. Kullanıcılar için erşim noktalarına bağlantı yetkilerinin yönetilmesi ise mevcut bir başka problemdir. Kullanıcıların erişim noktalarına bağlanma yetkilerinin yönetilmesi ise mevcut bir başka problemdir. Bu problemin çözümü için de oluşturulan standartlar ve literatürde yer alan çalışmalar ortam erişim kontrolünün merkezi bir otorite tarafından yönetilmesini öngörür. Merkezi otorite ihtiyacı sisteme anlık bağlı kullanıcıları belirlemenin dışında kullanıcı sayısının çok olmasına bağlı olarak belirlenmiş bir kısıttır. Sahada yer alan erişim noktalarının yerel belleklerinin kısıtlı olması kullanıcı listesinin bu cihazlarda saklanmasını engelleyen önemli bir faktördür. Kullanıcıların erişim noktaları arasında hareketli bulunduğu durumda gönderdikleri bağlantı isteklerinin yönetilmesi ve kullanıcının en uygun erişim noktasına bağlı kalmasının sağlanması da literatürde yer alan çalışmalarda yine merkezi bir görü eşliğinde optimal bir şekilde yönetilebilecek bir süreç olarak nitelendirilmiştir. Yukarıda belirtilen ihtiyaçlar ve çalışmalar doğrultusunda erişim noktası üreticileri kendi merkezi kontrol yazılımlarını oluşturmuştur. Pazarda yer alan beş büyük kablosuz erişim noktası üreticisinden; pazar payının %50'ye yakın bir kısmına sahip olan Cisco ve Aruba'nın sunmuş olduğu çözümler birbirinden farklı kontrol altyapıları önermektedir. Standart bir kontrol arayüzü ve mimarinin bulunmayışı, servis sağlayıcıların mevcut sistemlerin birbiri ile çalışması gereken durumlarda uyumsuzluk meydana getirmektedir. Bu uyumsuzluğu çözmek adına gerçekleştirilen çözümler ise servis sağlayıcıların yatırım maliyetlerini artırmaktadır. Bunun önüne geçebilmek amacı ile merkezi kontrol yazılımlarının sahadaki erişim noktaları ile konuşabileceği standart bir arayüz oluşturma ihtiyacı doğmuştur. Bu ihtiyacı karşılamak üzere yapılan çalışmalarda en yaygın kullanıma ulaşan sonuç CAPWAP [6] olmuştur. CAPWAP [6], MAC katmanından uygulama katmanına kadar tüm trafiğin merkezde bulunan kontrol yazılımına aktarılmasını öngören bir protokoldür. Bu protokol; kullanıcıların erişim kontrollerinin, yük dağıtma işlemlerinin, erişim kısıtlamalarının ve çeşitli güvenlik özelliklerinin sağlanmasını mümkün kılmaktadır. Fakat, CAPWAP içerisinde tüm trafiğin merkezi kontrol yazılımına ulaşması gerekliliği protokol ile yönetilebilecek erişim noktası ve bağlı bulunabilecek kullanıcı sayısını sınırlayan bir faktör olarak ortaya çıkmaktadır. Bunun yanında uçta yer alan kablosuz erişim cihazlarının telsiz parametrelerinin ayarlanması sürecinde üreticiye özel mesajların kullanılması gerekliliği farklı üreticiye ait cihazların sistem entegrasyon süreçlerinin uzamasına neden olmakta ve bu işlemin maliyetini artırmaktadır. Son yıllarda yaygın bir hale gelen Yazılım Tanımlı Ağlar(SDN) çözümü ise ağda yer alan veri ve kontrol mantığının yönetildiği yerleri tamamen ayıran bir çözümdür. Bu yeni ağ teknolojisinin temelinde, ağ üzerinde yer alan kontrol mantığı olarak adlandırılan yönlendirme, erişim kontrolü ve güvenlik kısıtlamaları gibi işlemeler merkezde yer alan bir sunucu tarafından gerçeklenmektedir. Sunucu, tespit ettiği yönlendirme ve engelleme kurallarını erişim cihazlarının yönlendirme tablolarına yükleyerek veri trafiğini bu cihazlara aktararak üzerindeki yükü azaltmaktadır. Sunucunun kuralları yüklemesi sırasında uç cihazlar konuşmak için kullandığı arayüz olarak kullanılan protokol de ONF tarafından bir standart olarak yayınlanmış ve OpenFlow olarak isimlendirilmiş bulunmaktadır. Ağda yer alan erişim cihazları ise yalnızca sunucu tarafından kendisine bildirilen kurallara göre yönlendirme yapan jenerik cihazlar olarak tanımlanmaktadır. Bu tanım sayesinde üretici bağımsız bir ağ kurulumuna imkan sağlamanın yanı sıra, merkezde yer alan bir kontrol birimi tarafından kaynak atamasının yapılması ile ağa ait kaynakların optimal bir şekilde kullanılması hedeflenmektedir. Bunun yanında, yeni özelliklerin sahaya uygulanmasının tek bir noktadan hızlıca sağlanması SDN teknolojisini yaygınlaştıran en temel etkenlerden olmuştur. SDN teknolojisinin merkezi yönetim imkanı bulunması, veri trafiğini uç cihazlar üzerinden akıtarak merkez yazılımdaki darboğazı engellemesi, üretici bağımsız erişim cihazlarını desteklemesi ve bu cihazlar ile konuşmak için standart bir arayüzü sunması özellikleri bir araya geldiğinde kablosuz erişim ağlarının yönetimi için uygun bir çözüm olduğu öngörülmektedir. Bu kapsamda, tezin içeriği olarak kablosuz erişim ağlarında karşılaşılan problemleri adresleyecek SDN tabanlı bir kablosuz erişim yönetim protokolü, SDN-WAM, tasarlanmıştır. Tasarlanan protokol, kablosuz kullanıcıları jenerik kablsouz erişim cihazlarının bir portu olarak sanallaştırmaktadır. Sanal portların fiziksel olarak açılıp kapatılması işlemi ise, kullanıcıların ağa kabul edilmesi ve ağa erişimlerinin kesilmesi olaylarının karşılığı olarak tanımlanmıştır. Bu özellikler kullanılarak, erişim noktalarına bağlı bulunan kullanıcı sayıları da kontrol altında tutulmuş ve dengeli olarak dağıtılmıştır. Protokol kapsamında gerçeklenen trafik izleme modulü ile kullanıcılara ait trafiklerin ayrık olarak bant genişlikleri ölçülmüş, bu ölçümlere bağlı olarak yeni akışların kabulu için bir algoritma gerçeklenmiştir. Tasarlanan SDN-WAM prtokolünün uygulanabilirliğini ölçmek amacı ile bir sunucu ve jenerik erişim cihazlarından oluşan bir test ortamı gerçeklenmiştir. Gerçeklenen test ortamında sunucu üzerinde kontrol yazılımı olarak Opendaylight kullanılmıştır. Opendaylight üzerinde SDN-WAM protokolünü test edebilmek amacı ile trafik izleme modulü (TMIM), akış kabul kontrol algoritması modülü (FACAM) ve erişim kontrol modülü (ACM) gerçeklenmiştir. Jenerik kablosuz erişim cihazları olarak ise Raspberry Pi kullanılmıştır. Raspberry Pi üzerine kablosuz erişim özelliği ise Pi-Hut USB kablosuz erişim modülü eklenerek sağlanmıştır. Pi-Hut kablosuz erişim modülünün sürücü yazılımı SDN-WAM protokolü içerisinde öngörülen sanallaştırmayı gerçekleyecek şekilde değiştirilmiştir. SDN-WAM, geliştirilen test ortamı üzerinde çalışır hale getirildikten sonra kampüs içerisinde çalışır hale getirilmiştir. Canlı test ortamından, geliştirilen protolün uygulanabilirliğini ve izleme yeteneklerini ortaya koyan; erişim noktasına bağlı kullanıcı sayısı, kullanıcı başına trafik miktarı, trafik başına burstlerin ve ortalama bant genişliklerinin tespit edilmesine ait grafikler okuyucuya sunulmuştur. Bunun yanında, gerçek zaman trafikte servis kalitesini geliştirme adına yapılan çalışmalar ve kontrol yazılımı üzerinden aktarılan trafiğin uç cihazlara aktarımı sonucu kontrol arayüzündeki azalan trafiği gösteren grafikler de okuyucuya sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
ISP based Wi-Fi Hotspot deployments have emerged potential for offloading cellular traffic through existing hotspot deployments, increasing indoor coverage and providing continuous service access to the end users. ISPs favors the utilization of existing Wi-Fi infrastructure for offloading the cellular traffic. Furthermore, growth in the number of hotspots continues as a result of ISPs investments on Wi-Fi based hotspots. Cisco VNI report also revealed the potential of Wi-Fi Hotspot deployment for service providers by estimating the number of Wi-Fi devices as three-fold of cellular devices by 2020. In addition, ISPs such as Turkish Telecom expands the Wi-Fi Hotspot coverage by offering contracted customers a free Wi-Fi access in public Wi-Fi access areas in exchange of using customer's equipment for broadcasting ISPs SSID and customer's line for carrying the traffic. Indoor coverage area of ISPs also increased with given marketing strategy. Furthermore, the customers benefit from the free access of carrier's Wi-Fi hotspots and reached a continuous service access in public places as well. However, management of radio resources such as channel assignments of hotspots, wireless user access control, flow admission control of the users and new service deployment are the main issues which need to be addressed by the ISPs. Lead access point vendors such as Cisco, Aruba and Ruckus Wireless which holds more than 50% of the market share in top five access point vendors offer vendor-specific solutions for the issues given above. However, architecture and protocol overlay of the Wi-Fi Access Network solution varies for different vendors. Thus, inter-operability of vendor-specific solutions are limited. To this end, service deployment process becomes unnecessarily complex for ISPs when vendor-specific solutions are applied to the field. Additionally, requirement for standardization is highlighted by ISPs and effort has been put by technology pioneers such as Cisco. As a result, CAPWAP [6] is developed and deployed as a solution candidate. What's more, CAPWAP [6] recently became the most common management protocol used for wireless access networks. As a result of bottleneck in traffic relayed to the wireless controller in CAPWAP [6] and requirement for vendor-specific implementation for resource utilization, research in ISP based Wi-Fi access management on vendor-agnostic solutions and resolving the bottleneck problem in controller still needs to be addressed. SDN separates the control logic and the forwarding logic of the network into two separate domains: control plane and data plane. A controller is employed in control plane for running the logical operations of the network such as forwarding logic, access control and firewall etc. The controller installs the forwarding and blocking rules into the flow tables of the access elements placed in the data plane of the SDN topology. The controller installs the rules to the flow tables using a protocol which is standardized by ONF and named as OpenFlow. The access elements placed in the data plane are generic devices designed to run forwarding logic installed in their flow tables by the controller and named as OpenFlow Switches. SDN approach enables the optimization of radio resources and load balancing in the access network using the global view of the controller. The highlighted features of the SDN enhanced together makes SDN a promising candidate for addressing the unresolved problems, vendor-specific nature of existing solutions and bottleneck in traffic relayed to the controller, in management of ISP based wireless access network. To this end, a new wireless access management protocol, SDN-WAM, has been designed within the context of this thesis. SDN-WAM virtualizes each wireless client as an interface of the generic access device. In addition, the access control of wireless users are mapped to the open and shutdown events of interfaces. Traffic monitoring interface module is developed to track the bandwidth consumption of each flow generated by the users. The flow admission is handled by the basic flow admission control algorithm module which utilizes information gathered by the traffic monitoring interface. Finally, the access control of wireless clients are handled by designed access control module, which aims to balance the load of access devices. Additionally, an SDWN testbed has been developed within the context of this thesis to prove the validity of the offered wireless access management protocol. Opendaylight is used as the controller of the SDWN network. Traffic Monitoring Interface Module, Flow Admission Control Algorithm Module and Access Control Module defined in SDN-WAM is implemented as a north-bound module to the Opendaylight. The hardware of OF switches implemented in the testbed consists of Raspberry Pi with Pi-Hut USB Wi-Fi dongle. The wireless driver of OF switches is modified to provide the virtualization function described in SDN-WAM. This thesis is finalized by presenting the monitoring results, which prove the applicability of the given protocol to real-life deployment scenarios.
Benzer Tezler
- A software defined network framework in 5G wireless systems
5G kablosuz sistemlerde yazılım temelli ağ iskeleti
GÖKHAN SEÇİNTİ
Doktora
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BERK CANBERK
- Smart energy management for residential buildings based on wireless embedded system
Konut binaları için kablosuz gömülü sisteme dayalı akıllı enerji yönetimi
AYMEN HUSAM AHMED AL ADHAMI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGUN ERÇELEBİ
- Enerji verimli kablosuz algılayıcı ağ tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of energy efficient wireless sensor network
MEHMET ERKAN YÜKSEL
Doktora
Türkçe
2014
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜL HALİM ZAİM
- BİR UZAKTAN PROGRAM YÜKLEME HİZMETİ TASARIMI VE UYGULANMASI
A REMOTE PROGRAM LOADING SERVICE DESIGN AND IMPLEMENTATION
NİLGÜN İNCEREİS
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Okan ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEKİR TEVFİK AKGÜN
- Çevresel gürültü kontrolüne yönelik gerçek zamanlı izleme sistemi tasarımı ve uygulaması
Real-time monitoring system design and implementation for environmental noise control
SAMET FEYYAZ HAMAMCI
Doktora
Türkçe
2024
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET ÖZGÜR DOĞRU