Joint server and route selection in SDN networks
SDN ağlarda ortak yol ve sunucu seçimi
- Tez No: 467111
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
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.
Özet (Çeviri)
The key computing trends driving the need for a new networking paradigm include evolving traffic characteristics with the rise of mobile and cloud services, network function virtualization, the need for more capacity, and the trend of building networks without vendor dependence. The SDN architecture, by decoupling data and control planes and using a centralized controller, provides network managers with the flexibility of configuring, managing, and securing network resources dynamically and in an automated fashion. With the support of SDN tools, network resources can be utilized efficiently, evolving business needs can be addressed timely, and higher transmission capacity can be achieved. The current operational networks do not have enough flexibility in terms of managing how available network resources can be efficiently utilized since data and control plane functions are coupled and networking functions are highly distributed. A traditional network management tool might be considered as a central controller; however, its operations would be restricted by the networking protocols of the underlying OSI layers. In the SDN architecture, data forwarding and control planes are decoupled, and hence, it becomes feasible to utilize logically centralized controller for intelligent network management decisions. This approach is directly applicable for small size regional networks, data center networking, and the core network of a cellular wireless communication system. In the SDN architecture, SDN enabled switches, which can be managed by a centralized controller, are used instead of standard network equipment. SDN networks are vendor independent since information exchange between switches and the controller is provided by a standardized interface. OpenFlow is the first standard communication interface defined between control and forwarding layers of SDN. OpenFlow allows direct access to SDN enabled switches for information retrieval and configuration purposes. The SDN controller software can manage the underlying network either statically or dynamically and uses the flow concept of OpenFlow to identify network traffic based on matching rules. Managing the network on a per flow basis provides a fine granular resource control and timely response to network changes. Intelligently routing flows using a centralized controller with network-wide state information is expected to provide significant performance improvements in terms of throughput, delay, and packet loss. These improvements are particularly important to support new real-time services with stringent quality of service requirements. However, the timely detection of congestion and failure events and re-routing traffic without causing any oscillation are challenging tasks. The SDN technology with a centralized controller is suitable for tackling these problems. Although a programmable centralized controller gives flexibility in flow management; it is a challenging task when the network size is large and there are many flows with various priority levels. In the traditional SDN approach, the forwarding decisions are performed using the traditional shortest path algorithm running in the SDN controller. Therefore, the packets are forwarded over the shortest path by data plane elements (i.e., OpenFlow switches) without considering link utilization levels. This situation may cause bottlenecks on certain links while there might be under-utilized links in other parts of the network. In this thesis, a joint server and route selection mechanism is presented for SDN networks. OpenFlow enabled architecture takes current and past network statistics into account and routes an incoming flow over under-utilized server and links to evenly distribute traffic among the network resources. The main objective is to use the current and past knowledge of the network so that a better resource allocation decision can be made by considering both current and future times. The proposed algorithm uses a cost function to periodically and automatically modify link weights of link state routing protocols using current and past network statistics such as traffic and packet loss rates. There are functionally equivalent multiple servers in the network and the server utilization statistics are also used in the overall cost calculation for joint server and route selection. When a new traffic flow is arrived, the proposed algorithm intelligently selects the server and routing path by using the overall cost calculation of the algorithm. Finally, new routes corresponding to the minimum cost are installed into OpenFlow enabled switches. New SDN applications are developed to implement the proposed traffic engineering (TE) mechanism. These applications communicate with the network using the controller (controller APIs and network service functions) for collecting statistics and re-configuring switches. Custom database (DB) is used to store collected information. The proof of concept has been implemented using Mininet to emulate OpenFlow enabled switches and OpenDaylight as an SDN controller. The demonstration results indicate that the proposed mechanism can evenly distribute traffic among the links and servers and avoid congestion in the network.
Benzer Tezler
- Design and performance analysis of enhanced network coded cooperative communication systems
Gelişmiş ağ kodlamalı işbirlikli haberleşme sistemlerinin tasarımı ve performans analizi
RIDA KHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Robotic fish for monitoring water pollution
Su kirliliğini denetlemek için robotik balık
MOHAMMED JAVED ANSARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA DOĞAN
- İstanbul'daki 19. yüzyıl ve sonrası Osmanlı ticaret han ve pasajlarının stil ve fonksiyon bakımından incelenmesi
Başlık çevirisi yok
NURSEL GÜLENAZ
Doktora
Türkçe
1998
Sanat Tarihiİstanbul Teknik ÜniversitesiSanat Tarihi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ ÖZER
- Daskyleion'daki Komnenoslar dönemine tarihli kalenin (aplekton?) mimari özellikleri
The architectural features of the fortification dated to the Komnenos period in Daskyleion
GÖKHAN KAYMAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Arkeolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEJAT TURGUT SANER
- Türk ve Avrupa Birliği bankacılık sektörlerinin rekabet yapısı
Competition in banking sector of Turkey and European Union
KEMALEDDİN METİN