Sanal ağ güvenliği fonksiyonlarının enerji etkinyerleştirilmesi: Yöntem önerileri ve uygulama
Energy efficient placement of virtual security functions:Method proposals and application
Yazar: MERVE SEDEF DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. ŞEREF SAĞIROĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Yazılım Tanımlı Ağlar (Software Defined Networking - SDN) ve Ağ Fonksiyonlarını
Sanallaştırma (Network Functions Virtualization – NFV) teknolojilerinin kullanıldığı
ortamlarda güvenlik; saldırı tespit sistemi ve güvenlik duvarı gibi fonksiyonların
sanallaştırılması ve birer yazılım haline getirilerek genel amaçlı sunucular üzerinde
çalıştırılması ile sağlanmaktadır. Bir ağda, sanal güvenlik fonksiyonları (virtual security
functions - VSF) tarafından işlenen trafik akışlarının farklı güvenlik gereksinimleri
olabilmektedir. Öte yandan her ağda, güvenlik sağlanırken göz önünde bulundurulması
gereken ve ağın ihtiyaçlarına göre farklılık gösteren bir takım operasyonel amaçlar
(maliyetin ez aza indirgenmesi, yük dengeleme yapılması vb.) vardır. Bu nedenle, ağın
güvenlik gereksinimlerini ve operasyonel amaçlarını göz önünde bulundurarak VSF'lerin
yerleştirilmesi ele alınması gereken önemli bir problemdir. Bu doğrultuda, tez kapsamında
yapılan çalışmalar üç başlık altında toplanmıştır. İlk çalışmada, literatürde ilk defa bir
taksonomi geliştirilmiş ve literatürdeki mevcut VSF yerleştirme çözümleri bu taksonomi
ışığında sekiz boyutta sınıflandırılarak tartışılmıştır. İkinci çalışmada, literatürde ilk defa,
trafik akışı bazında güvenlik gereksinimleri göz önünde bulundurularak enerji etkin bir
şekilde sanal ağ güvenliği fonksiyonlarının yerleştirilmesi ve trafiğin ihtiyaçları
doğrultusunda bu fonksiyonlar üzerinden yönlendirilmesi problemi modellenmiş ve
çözülmüştür. Bu amaçla, bir Tam Sayılı Doğrusal Programlama (Integer Linear
Programming – ILP) modeli geliştirilmiş ve bu modelin ölçeklenebilirlik sorununu çözmek
için enerji tüketimini en aza indirgeyen çözümleri kısa sürede üreten yeni bir sezgisel
algoritma önerilmiştir. Son olarak üçüncü çalışmada, geliştirilen yaklaşımın yazılım tanımlı
ağ altyapısında uygulanabilirliğini göstermek için sezgisel algoritmanın aldığı kararlar
doğrultusunda ağa gelen trafik akışlarını yönlendiren SDN kontrolcüsü geliştirilmiştir.
Sonuç olarak, geliştirilen yöntemlerin, enerji tüketimini %48'e kadar azalttığı ve geliştirilen
SDN kontrolcüsünün ağa gelen trafiği toplam bant genişliği, uçtan uca gecikme, paket kayıp
oranı ve jitter gibi hizmet kalitesi parametreleri açısından etkin bir şekilde yönlendirebildiği
görülmüştür.

Abstract:
In Software Defined Networking (SDN) and Network Functions Virtualization (NFV)
enabled environments, network security is provided by virtualizing security functions such
as intrusion detection system and deep packet inspection etc., and deploying them on
general-purpose servers as software. The traffic handled by virtual security functions (VSF)
may have different security requirements. On the other hand, there are some operational
objectives that differ according to the needs of the network such as minimizing cost and load
balancing. Therefore, the issue of placing VSFs considering both security requirements and
operational objectives is an important research challenge. In this regard, the studies
conducted in the scope of this thesis is grouped under three parts. In the first study, a novel
thematic taxonomy for classifying current VSF placement solutions is developed for the first
time in the literature. State-of-the-art studies are reviewed and categorized based upon the
eight dimensions of the developed taxonomy. In the second study, the problem of (i) VSF
placement with the objective of minimizing energy consumption while meeting security
requirements of the traffic at the flow-level, (ii) and routing flows through the VSFs
according to their needs is defined and modelled for the first time in the literature. To this
end, an Integer Linear Programming (ILP) model is developed to minimize server energy
consumption. In addition, a novel heuristic algorithm that produces solutions minimizing
energy consumption within practical time limits is proposed to solve the scalability issue of
the ILP model for larger scale network instances. Finally in the third study, an SDN
controller that forwards network traffic according to the results of the proposed energyefficient VSF placement heuristic is developed in order to demonstrate the practicality of
our placement approach in SDN infrastructures. As a result, it is concluded that the
developed methods can reduce energy consumption by up to 48%, and network traffic can
be effectively routed in terms of the QoS parameters including throughput, end-to-end
latency, packet loss rate, and jitter.