Yazılım tanımlı içerik dağıtım ağlarında (software-defined content delivery network, SD-CDN) eMBB trafiği için erişim protokolü tabanlı kontrolör tasarımı
Access protocol based controller desing for eMBB traffic in software-defined content delivery network
Yazar: EKBER ÇETİN KÜK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MÜGE ÖZÇEVİK
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yazılım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Günümüzde 5G altyapısında  akan video  trafiği aşırı bir hızla  artmaktadır. 5G'de eMBB olarak adlandırılan bu trafik, geleneksel DNS tabanlı CDN ile yönlendirilmektedir. Bu yapıda BGP, kullanıcı isteklerini coğrafi olarak en yakın yerel CDN kullanıcısına yönlendirmektedir ve bu durumun yerel CDN sunucularında aşırı yüklenme ile sonuçlanması kaçınılmazdır. Literatürdeki çalışmalara göre eMBB içeriğine erişim türlerinin dikkate alınması, CDN önbelleğe almada daha fazla isabet oranı ile sonuçlanmaktadır. Ayrıca, anycast tabanlı yönlendirme, coğrafi dezavantajına rağmen trafik akışlarının bir kısmını yerel sunucu yerine daha uzak olan merkezi sunucuya yönlendirebilmektedir. Bu çalışmaların ışığında, eMBB trafiğinin erişim protokollerine göre yönlendirme gereksinimi ortaya çıkmıştır.  Günümüzde, eMBB trafiği isteklerini yönlendirmede, kullanılan uygulamanın bulunduğu işletim sistemine göre değişim gösteren TCP tabanlı HTTP/2.0 ve UDP tabanlı QUIC kullanıcı erişim protokol türlerini dikkate alınmaktadır. Ancak önceki çalışmalar CDN'de erişim tipine göre en uygun sunucuyu seçme konusunda merkezi bir görüşe sahip değiller ve protokol tabanlı yük (toplam eşleşme paketlerinin sayısı) ve heterojenlik (paketlerin erişim protokollerine (HTTP2/QUIC) göre oranı) gibi ağ dinamiklerini dikkate almamaktadırlar. Dolayısıyla; 5G'de eMBB gereksinimlerini karşılayamamaktadır.  
Bu nedenle, eMBB trafiği için, Veri ve Kontrol düzlemlerini birbirinden ayıran ve anycast yönlendirmesinin kolay uygulanabildiği erişim protokolüne duyarlı(dikkate alan) Yazılım Tanımlı İçerik Dağıtım Ağları (SD-CDN) öneriyoruz. Veri düzlemindeki OpenFlow ağ cihazlarından alınan istatistiklerle, yeni önerilen ağ cihazlarının yük ve heterojenlik metrikleri periyodik olarak hesaplanmaktadır. Ardından SD-CDN'de yeni erişim protokolüne türüne duyarlı yönlendirme algoritması kullanarak cihazlara OpenFlow kurallarını gömülerek yerel veya merkezi CDN sunucusuna yönlendirme gerçekleştirimesi amaçlanmamıştır. Gerçek bir test ortamında yapılan performans değerlendirmelerine göre; önerilen SD-CDN, yerel veya merkezi CDN sunucularından alınan eMBB içeriğinin PSNR ile ölçülen kalitesine göre kıysalandığında; geleneksel DNS tabanlı CDN'den yaklaşık olarak %60 daha iyi QoS ile hizmet vermektedir.

Abstract:
Nowadays, video traffic has been tremendously increased in the 5G infrastructure. This traffic which is newly called eMBB is orchestrated by conventional DNS-based CDN. In this infrastructure, BGP routes user requests to the geographically closest local CDN user; and this outputs inevitable results that there is overloading local CDN servers. According to studies in the literatüre, considering the access types of eMBB content, brings higher hit rate in CDN caching. Moreover, anycast-based routing can route some of the traffic flows to the remote central server despite its geographical disadvantage instead of the local server. In the light of these studies, there has been a requirement for routing eMBB traffic by taking the access protocols into account. The type of access protocols for eMBB vary as HTTP 2.0 and UDP-based QUIC according to the operating system of the application used. However, they do not have a central view to select optimal server according to access type in CDN and they are unaware of network dynamics such as protocol-based load and heterogeneity; i.e. the number of total matches packets and the ratio of the packets according to access protocols (HTTP2/QUIC). Then, they cannot meet 5G requirements in acceptable level. 
Therefore, for eMBB traffic, we propose Software Defined Content Delivery Networks (SD-CDN) that separates the Data and Control planes which consider the access protocol. By the taken statistics from OpenFlow network devices in the data plane, the newly proposed load and heterogeneity metrics of network devices are calculated periodically in the control plane. Then; a novel access protocol-aware routing algorithm in SD-CDN embeds OpenFlow rules in devices which includes the rules performing routing to local or central CDN servers. According to performance evaluations in a real test environment; when the proposed SD-CDN is compared to the PSNR-measured quality of eMBB content from local or central CDN servers; it is observed that it provides approximately 60% better QoS than conventional DNS-based CDN.