Yazılım tanımlı ağlarda ölçeklenebilir ve verimli bir port tabanlı adaptif kaynak izleme yaklaşımı
A scalable and efficient port-based adaptive resource monitoring approach in software defined networks
Yazar: HASAN ÖZER
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM TANER OKUMUŞ
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik ve Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Bilgisayar ağları = Computer networks

Özet:
İletişim araçlarına olan ihtiyaç geçmişten günümüze artmaktadır, bu nedenle ağ teknolojilerindeki araç ve yöntemler gelişmektedir. Bu gelişmeye bağlı olarak, ağ ölçeği ve karmaşıklığı artmakta olup geleneksel ağ teknolojisinin sınırlamaları ile karşı karşıya kalmaktayız. Yazılım Tanımlı Ağ (YTA) bu zorlukların yönetimi ve optimizasyonu için çeşitli fırsatlar sunmaktadır. YTA paradigması yakın zamanda ortaya çıkan, araştırmacılar tarafından geniş çapta çalışılmış ve çeşitli ağ teknoloji firmaları tarafından kullanılmaktadır. YTA, kontrol düzlemi ile veri düzlemini ayırarak, ağ sistemlerinin genel görünümünü sağlamakta ve ağ yönetiminde esneklik sunmaktadır. YTA'da kullanılan OpenFlow (OF, OpenFlow Switch Specification, 2014)) protokolü, veri ve kontrol düzlemi arasında güvenli bir kanalla iletişim kuran bir arayüz olarak kabul edilebilir. OF aynı zamanda veri düzleminden, farklı toplama seviyelerinde (örneğin akış (flow), bağlantı noktası (port) ve paket vb.) istatistik toplamamızı sağlar. 
Ağ yönetimi, ağ sistemlerinde çok önemli bir role sahiptir. Ağ izleme, ağ yönetimi için gereken ağ kaynak bilgilerinin elde edilmesinde hayati önem taşır. Bu bilgiler, ağ kaynaklarının daha verimli ve etkili kullanılmasını sağlayacaktır. 
Bu tezin amacı, YTA için ölçeklenebilir ve verimli bir bağlantı noktası (port) düzeyinde uyarlamalı ağ kaynağı izleme mekanizması geliştirmektir. Sunulan yaklaşım, sorgulama mesajlarını ağa enjekte ederek ve yanıtları toplayarak çalışan, aktif ağ izleme yaklaşım yöntemini esas almaktadır. Aktif izleme yönteminde temel fikir, periyodik sorgulama mesajları göndermektir. Bu mesajların periyodu, mekanizmanın ölçeklenebilirliğini ve verimliliğini belirler. Ek yük (overhead), ölçeklenebilirliği doğrudan etkiler ve izlenecek ağ cihazlarının sayısı ile doğrusal olarak artar. Bu nedenle, kabul edilebilir doğruluk seviyelerini korurken ölçeklenebilir olan ve ek yükü azaltan bir uyarlanabilir izleme yaklaşımı önerilmektedir. Bu yaklaşımda, sorgulama sıklığı her bir anahtar için uyarlamalı olarak ayarlanmaktadır. Bunu yapmaktaki amaç ek yükü azaltmak ve doğruluğu korumaktır. 
Bu tezde, bağlantı noktası bazında trafik ölçüm istatistiklerinin periyodik olarak ağ cihazlarından nasıl alınacağını ve YTA ortamında bu istatistiklerin ağa getirdiği iş yükünün nasıl hesaplanacağı gösterilmiş olup periyodik sorgulamalarda doğruluk ile ek yük arasında doğru orantı olduğu gösterilmiştir. Sorgulama istatistiklerinin izleme sürecini kontrol etmek için ve uyarlanabilir yaklaşımın proaktif olarak sorgulama sıklığını ayarlanmasını sağlamak için Tahmini Örnekleme Tasarımı (TÖT) önerilmiştir. Bu yöntemle bir sonraki ölçüm değerinin kaba bir tahmini elde edilerek proaktif olarak sorgulama sıklığının ayarlanması hedeflenmiştir. Tahmin değeri kullanılarak trafikteki değişimin bağlantı kapasitesine oranı hesaplanmıştır. Yine tahmin değeri ile bağlantıdaki trafik yükü hesaplanmıştır. Bu iki değer bir α filtresi ile birleştirilerek sorgulama sıklığını ayarlamak için temel bir gösterge (F') elde edilmiştir. Sorgulama sıklığı hesabında bağlantı kullanım eşiği ve F' değerindeki değişim için eşik göz önüne alınmıştır. Bağlantı kullanım oranı belirli bir eşik değerin altındaysa sistem en düşük frekansla periyodik izleme yapmaktadır. Bağlantı kullanım oranı eşik üzerinde ise trafikteki değişim oranına göre izleme frekansı adaptif olarak ayarlanmaktadır. Değişim oranı eşik değer üzerinde ise frekans arttırılarak daha sık aralıklarla izleme yapılmakta, eşik değer altında ise frekans azaltılarak izleme sıklığı azaltılmaktadır.
Önerilen yaklaşım farklı topolojiler üzerinde farklı trafik zaman çizelgeleri incelenmiş ve uyarlanabilir yaklaşım parametrelerinin hata ve ek yük üzerindeki etkisini incelemek için analizler yapılmıştır. Bu yapılan analizlerin sonuçları çizelgeler ve şekillerle gösterilmiştir. 
Yapılan test sonuçlarında önerilen uyarlanabilir izleme yaklaşımı ile doğruluğun korunarak, periyodik yoklama yöntemine göre %46 ve PayLess yaklaşımına göre %6,7 daha az ek yük sağladığını görülmüştür. Uyarlanabilir yaklaşım, farklı ağ ortamları için kabul edilebilir düzeyde doğruluğu sağlamış ve üretilen ağ ek yükünün diğer yaklaşımlara kıyasla daha düşük olduğu görülmüştür.

Abstract:
The need for communication tools is increasing from the past to the present, so tools and methods in network technologies are developing. Due to this development, network scale and complexity are increasing and we are faced with the limitations of traditional network technology. Software Defined Network (SDN) offers a variety of opportunities for the management and optimization of these challenges. The SDN paradigm is a recently emerging architecture that has been widely studied by researchers and used by various network technology firms. It offers an overview of network systems and flexibility in network management by separating the control plane and the data plane. The OpenFlow (OF, OpenFlow Switch Specification, 2014) protocol used in the SDN can be regarded as an interface that communicates with a secure channel between the data and control plane. At the same time, OF allows us to collect statistics at different collection levels (eg flow, port, packet, etc.) from the data plane. 
Network management has a very important role in network systems. Network monitoring is vital in obtaining the network resource information required for network management. This information will enable more efficient and effective use of network resources. 
The aim of this thesis is to develop a scalable and efficient port level network resource monitoring mechanism for SDN environment. The presented approach is based on active network monitoring approach, which works by injecting query messages into the network and collecting responses. The basic idea in active monitoring is to send periodic inquiry messages. The period of these messages determines the scalability and efficiency of the mechanism. Overhead directly affects scalability and increases linearly with the number of network devices to monitor. For this reason, we propose an adaptive monitoring approach that is scalable and causes less overhead while maintaining acceptable levels of accuracy. In this approach, polling frequency is adjusted adaptively for each switch. The goal is to reduce overhead and maintain accuracy. 
In this thesis, getting port level traffic measurement statistics periodically from network devices and calculation of the overhead of these measurements were presented. It was shown that there is a direct proportion between accuracy and overhead in periodic monitoring. To control the monitoring process and to proactively adjust the query frequency of the adaptive approach A Sample Predict Design (SPD) was proposed. The goal of SPD is to proactively adjusting polling frequency through a coarse prediction of next measurement value. Predicted value is used to calculate the ratio of traffic change to link capacity. Also link utilization is also calculated using predicted value. These two values are combined with an α filter to calculate the basic indicator (F') that is used for adjusting adaptive polling frequency. In the polling frequency calculations, link utilization threshold and the threshold for amount of change in the F' value was also considered. If the link utilization is below threshold, system work as periodic polling system with minimum polling frequency. If the link utilization is above threshold, polling frequency is adaptively adjusted depending on the amount of change in the traffic. If the amount of change is below F' threshold, polling frequency is increased resulting in close monitoring of that particular link and if the amount of change is below F' change threshold, polling frequency is decreased resulting in less frequent monitoring.
Then, the aims of the adaptive approach are explained and these objectives are shown with equation expressions and tables, and their algorithmic expression is revealed. Different topologies and traffic timelines were created and analyzes were made in terms of error and overhead using adaptive approach parameters. 
The results of these analysis show that proposed adaptive monitoring approach results in 46% less additional overhead than the periodic polling method and 6.7% less than the PayLess approach while maintaining accuracy. The proposed adaptive monitoring approach provided acceptable accuracy for different network environments and the generated network overhead was found to be lower compared to other approaches.