Yazılım tanımlı ağ tabanlı nesnelerin internetinde yönlendirme, kontrolör ve sunucu yerleştirme için mimari eniyilemesi
Architecture optimization for forwarding, controller and server placement in software defined networking enabled internet of things
Yazar: YASİN İNAĞ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET DEMİRCİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Nesnelerin interneti = Internet of things ; Sunucu sistemleri = Server systems ; Yazılım tanımlı ağlar = Software defined networks ; Yönlendirme = Routing

Özet:
Nesnelerin İnterneti (Internet of Things - IoT) uygulamalarının sayısı arttıkça, bu uygulamalar tarafından üretilen verilerin merkezi bir bulut sunucusuna verimli bir şekilde iletilmesi zor bir konu olmaktadır. Tez kapsamında, sis hesaplama ve Yazılım Tanımlı Ağ (Software Defined Network - SDN) teknolojilerini kullanarak iletimi kolaylaştırmayı amaçlanmıştır. Bu amaçla, IoT ağları için iki yeni içerik tabanlı yönlendirme (Content Based Network - CBF) modeli önerilmiştir. İlk model, iletimi ve hesaplama gecikmesini azaltmak için sis hesaplama ve içerik tabanlı yönlendirmeden yararlanmaktadır. Birinci modele dayalı olarak, ikinci model, veri hızı ve gecikme gereksinimlerini sağlarken kritik verilerin zamanında iletimini sağlamak için önceliklendirme konseptini kullanmaktadır. Önerilen modelleri değerlendirmek ve bunların verim, gecikme ve kayıp oranı metrikleri üzerindeki etkilerini ortaya çıkarmak için kapsamlı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Sonuçlara göre, önerilen modeller verimli iletim ve düşük zaman gecikmesi sağlamıştır. Ayrıca ikinci model, kritik verileri daha etkin bir şekilde iletme yeteneğine sahiptir. Önerilen modellerin etkinliğini artırmak için,  Kontrolör Yerleştirme Problemi (Controller Placement Problem - CPP) için matematiksel bir model önerilmiştir. Kontrolörün hatalı olması durumunda ağın esnekliği ve güvenilirliği sağlanmalıdır. Bu nedenle, önerilen model,  kontrolör arızalanması problemini dikkate alarak ağdaki kontrolör(ler)in sayısını ve konumunu optimize etmiştir. Simülasyon sonuçları, ağ sürekliliği ve iletişim güvenliğini sağlarken ortalama gecikme süresinin biraz arttığını göstermektedir. Çalışmanın devamında, veri analizi hizmeti sağlayan ilişkili Sunucuları Yerleştirme Problemi (Server Placement Problem - SPP) için tam sayılı doğrusal programlama ve sezgisel yaklaşımlı iki model önerilmiştir. Her bir sis sunucusuna farklı veri türleri iletilmektedir. İletilen veri türleri analiz edilerek yeni bir veri üretmekte ve bu veri bir başka sunucuda işlenmek üzere ağa iletilmektedir. İlişkili sis sunucu konumu için p-medyan tabanlı tam sayılı doğrusal programlama modeli ve açgözlü sezgisel model önerilmiştir. Önerilen modeller ile ortalama gecikme süresi azaltılmış ve tez kapsamında önerilen iletişim modellerinin etkinliği artırılmıştır.

Abstract:
As the number of Internet of Things (IoT) applications increases, efficient data transmission to a central cloud server is a difficult issue. Within the scope of the thesis, it is aimed to facilitate transmission by using fog computing and Software Defined Network (SDN) technologies. For this purpose, two new Content Based Network (CBF) models have been proposed for IoT networks. The first model uses fog computing and content-based routing to reduce transmission and computational delay. Based on the first model, the second model uses the concept of prioritization to ensure timely transmission of critical data while ensuring the data rate and delay requirements. Extensive simulations are conducted to evaluate the proposed models and uncover their impact on throughput, delay, and loss rate requirements. According to the results, the proposed models ensure efficient transmission and low computational delay. In addition, the second model has the ability to transmit critical data more effectively. A mathematical model for the Controller Placement Problem (CPP) is proposed to increase the effectiveness of the proposed models. The flexibility and reliability of the network must be ensured in case the controller fails. Therefore, the proposed model has optimized the number and location of the controller(s) in the network, considering the controller failure problem. The simulation results show that the average latency slightly increases while ensuring network continuity and communication security. In the continuation of the study, two models with linear programming and a heuristic approach are proposed for the associated Server Placement Problem (SPP), which provides a data analysis service. Different types of data are transmitted to each fog server. The transmitted data types are analyzed, then new data is produced, which is transmitted to the network for processing on another server. A p-median based integer linear programming and the greedy heuristic models are proposed for the associated fog server placement. The average delay time has been reduced in the proposed models, and the effectiveness of the communication models proposed in the thesis has increased.