Yazılım tabanlı ağ yaklaşımı ile geniş alan ağlarında enerji duyarlı kaynak yönetimi
An SDN based energy-aware resource management model for wide area networks
Yazar: SÜLEYMAN BURAK GÖGER
Danışman: DOÇ. DR. HACI ALİ MANTAR ; YRD. DOÇ. HASARİ ÇELEBİ
Deniz Harp Okulu Komutanlığı / Deniz Bilimleri ve Mühendisliği Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Geniş alan ağları = Wide area networks

Özet:
Günümüzde her alanda enerji duyarlı sistemlerin geliştirilmesi bir zorunluluk haline gelmiştir. 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. Özellikle Geniş Alan Ağları (Wide Area Network, WAN) üzerinde yapılan enerji duyarlı çalışmalar, her türlü trafik yükünü kaldırması için dizayn edilmiş ağların düşük trafik yoğunluklarında da çalışmasına devam etmesi enerji tüketimini arttırmaktadır. Bu çalışmada geniş alan ağlarında enerjiye duyarlı bir yönlendirme ve kaynak yönetim modeli önerilmektedir. Önerilen bu modelde son zamanlarda özellikle içeriğe dayalı ağ yönetimine ihtiyaç duyulmasıyla ön plana çıkan yazılım tabanlı ağ (Software Defined Networking, SDN) yaklaşımı kullanılmaktadır. Alan içerisinde bulunan bir merkezi kontrol sistemi ile enerjiye dayalı yönlendirme ve kaynak yönetimi yapılmaktadır.
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. Bu çalışmada, SDN yaklaşımı ile oluşturulan merkezi kontrol birimi, servis kalitesini (Quality of Services, QoS) düşürmeden ağın enerjiye duyarlı yönetimini icra etmektedir.
WAN?da yönlendirmelerin her bir paket için ayrı yapılması, merkezi kontrol birimine yüksek veri trafiğinde sinyalleşme ve işlem ölçeklenebilirliği problemlerini meydana getirmektedir.  Model bu sorunun çözümü için önceden oluşturulan yollar vasıtasıyla trafik yönlendirilmesi sağlamaktadır. Bu kapsamda ağın büyümesi ile artan her bir paket için karmaşık ve zaman alan yönlendirme hesaplamaları ortadan minimuma indirilmektedir. Ayrıca enerji duyarlı yaklaşımlarda daha önce kullanılmamış olan önceden belirlenmiş yolların yeniden boyutlandırılması algoritması kullanılmaktadır. Yeniden boyutlandırma algoritması, mevcut yolların kapasitesi trafik yükünü karşılayamaması durumunda tahsis edilen kaynakların yeniden güncelleme ile yeni yolların açılarak enerji tüketimi arttırması engellemektedir.
Bu tezde birinci amaç, yolların yeniden boyutlandırılması ve yüklerin dengelenmesi yapıları ile enerji verimliliğini sağlamaktır. Ayrıca yeniden boyutlandırma ve yük dengeleme algoritmalarını kullanarak QoS?i sağlamaktadır. İkinci amaç, mevcut trafik şartlarına göre yollar arasında mevcut trafiği karşılayacak en enerji duyarlı olanları bulup trafik akışının bu yollar üzerinden geçmesini sağlamak ve kullanılmayan yollar üzerindeki ağ elemanlarını tamamen kapatarak enerji kazanımını arttırmaktır. Bu çalışmada, topolojinin tasarlanması ve yolların kurulmasından bağımsız olması modeli topolojiden bağımsız bir yapıya çevirerek literatürdeki diğer çalışmalardan ayırmaktadır.

Abstract:
In the last decade, saving energy has become an important and common endeavour both for industries and humankind. Therefore, national and international foundations and industries work on reducing the power consumption to protect the environment and to decrease the costs. Especially, some studies have focused on saving energy in the Internet because according to these studies, the ratio of WAN power consumption accounts for up to 10% of the worldwide energy consumption. These studies are related to adapting link rates, turning off unused network elements (routers,NICs, links and ports) and servers (e.g. energy efficient CPU,cooling system and server design). WAN (Wide Area Network) consists of many network elements to provide redundancy for protecting Internet from failures, packet drops and delays. Some network elements are rarely used or not used at all under the various traffic loads due to the redundancy. In order to reduce power consumption, low traffic loads can be aggregated and unused network elements can be turned off.
In this thesis, we proposed a model which manages the network resources and controls WAN directly by a central controller unit implementing Software Defined Networking (SDN) approach while supporting the same QoS. 
	In SDN Model, network elements directly connect to the central control element that virtualizes the network topology and its elements. By means of the direct connection of the control unit to the network elements, management all of them and the reaction to all changes is facilitated. In this study, the central controller manages network for energy saving with the SDN approach while QoS requirements is providing
In WAN, deciding route for each packet/flow increases signaling which degrades scalability of SDN controller under high traffic loads. To increase the scalability, we use pre-established multi paths to route the packets/flows. Therefore, long computation times of calculating routing of each packet/flow is reduced significantly. Additionally, in our model, we use path resizing algorithm which has never been used in energy aware studies. Instead of opening new paths, we aim to increase the utilization of active paths by means of running Path Resize Algorithm (PRA). In case of an insufficiency in existing path capacities even after PRA, our model opens the most energy efficient paths without degradation in QoS requirements. After new paths are activated, the network elements along the unused paths are turned off completely to increase energy savings. Another important feature of our model is that it is independent of underlying network topology. According to our knowledge, our study is the first research applying a multi path approach in WANs for improving energy efficiency. 
In this thesis, first aim is to provide energy efficiency with the help of PRA and Load balancing algorithms. In addition, we use PRA and Load balancing for QoS. Secand aim is to minimize the number of active LSPs (network elements) , which in turn, results in lower energy consumption under lower traffic loads. In this study, design of topology and paths is not considered. Therefore, this study is different from the others by its topology indipendent structure.