Geri Dön

Quality of service (QoS) aware flow analysis in software defined networks

Yazılım tanımlı ağlarda servis kalitesinden haberdar akış analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 467214
  2. Yazar: KÜBRA AYVAZ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. BERK CANBERK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 71

Özet

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.

Özet (Çeviri)

User demands increases in terms of network application and services. Increased user demand and connected smart devices needs different network management approach. Because, Quality of Experience's requirements have been changed. To provide high data rate demand with low latency, new infrastructures have been developed such as 5G wireless network and existing technologies have been extended with IoT technologies. Changing network infrastructure may cause costly operation in ossified architecture. Therefore, to meet changed requirements in terms of Quality of Service (QoS) in ossified network architecture, Software Defined approach has been considered. Software Defined Network architectures provide flexibility on network by decoupling control plane and data plane. Separation of those plane is one of main feature of SDN which creates programmable network by elimination hardware constraint. QoS based path provision has been provided with SDN deployments and flow management is one of the way to guarantee QoS in SDN. However, it is a challenging issue in terms of network throughput and resource utilization. There are several proposed solutions for QoS provision in terms of routing and flow management. Existing solutions try to guarantee QoS by proposing new routing algorithms which considers some of network limitations such as bandwidth, extending existing routing algorithm and creating framework for flow management. Proposed solutions in literature has not considered data traffic type and effects of chosen routing algorithm. Since SDN architecture allows to manage data traffic in efficient way by decoupling data plane and control plane, dynamic flow decision can be done in control plane. In this work, QoS aware dynamic flow addressing is proposed to solve routing challenge for QoS provision by designing SDN controller. Proposed SDN controller considers data traffic type, link delay and flow statistics to decide routing algorithm for upcoming flows. Threshold value has been used to evaluate flow count during decision of routing algorithm. Different threshold value is applied for TCP and UDP data traffic. Therefore, different QoS provisioning can be done according to data traffic type. Proposed mechanism has been applied on smart building network for QoS provision due to increasing demand on smart home and building technologies. Aim of the proposed algorithm is to decrease packet delay in end to end transmission which is one of QoS parameters for TCP traffic and packet drop rate for UDP traffic. As a result, evaluations of proposed model shows that the algorithm yields low latency for TCP and UDP traffic and low packet drop rate for UDP than Bellman-Ford and Dijkstra's algorithm.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    486577

    A software defined network framework in 5G wireless systems

    5G kablosuz sistemlerde yazılım temelli ağ iskeleti

    GÖKHAN SEÇİNTİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BERK CANBERK

  2. Tez No

    269584

    Quality of service aware dynamic admission control in IEEE 802.16jnon-transparent relay networks

    Transparan olmayan IEEE 802.16j röle ağlarda servis kalitesi farkında dinamik kabul denetimi

    EDA KILIÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Bölümü

    DR. CEVAT ŞENER

  3. Tez No

    333143

    Yazılım tabanlı ağ yaklaşımı ile geniş alan ağlarında enerji duyarlı kaynak yönetimi

    An SDN based energy-aware resource management model for wide area networks

    SÜLEYMAN BURAK GÖGER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolDeniz Harp Okulu Komutanlığı

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HACI ALİ MANTAR

    YRD. DOÇ. HASARİ ÇELEBİ

  4. Tez No

    603009

    Authenticated quality of service aware routing in software defined networks

    Kimlik doğrulama tabanlı hizmet kalitesi farkında yönlendirme

    SAMET AYTAÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATİH ALAGÖZ

  5. Tez No

    522874

    Quality of service aware communication framework for wireless sensor network based smart grid applications

    Kablosuz sensör ağ bazlı akıllı şebeke uygulamaları için hizmet kalitesi duyarlı sistem

    MELİKE YİĞİT KAPDAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBahçeşehir Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. PINAR SARISARAY BÖLÜK

    DOÇ. DR. VEHBİ ÇAĞRI GÜNGÖR

Geri Dön