CONTAINERS MULTI-HOST NETWORKING PERFORMANCE INVESTIGATION ACCORDING TO TRAFFIC LOAD

5G teknolojisi, NFV'ye dayalı çeşitli işlemleri gerçekleştirebilmek için sanal ağ işlevlerini kullanır. Geleneksel VNF'ler, trafik yüküne bağlı olarak dinamik çalışma zorluğu gibi yetersizliklere sahiptir. Bu sebeple yüksek trafik durumlarında donanım kaynaklarını aşırı tüketerek yetersiz kullanıcı deneyimi ve hatta hizmet kesintisine neden olabilirler. Konteyner yönetim platfomlarının otomatik kapasite, hata ve performans yönetim işlevleri de kullanılarak, konteyner olarak çalışan sanal ağ işlevleri, dinamik trafik gereksinimlerine uygun şekilde kolaylıkla iyileştirilip, ölçeklendirilebilir ve geleneksel VNF'lerin karşılaştığı sorunların üstesinden gelinebilir. CNF kullanımı ile donanım kaynakları paylaşımlı olarak kullanılır, gereksiz tahsis edilmiş kaynakların ve güç tüketiminin azaltılması sağlanır; konteynerların basitleştirilmiş yönetim kabiliyetleri ile kısıtlı kaynak durumlarının üstesinden kolaylıkla gelinir. Bununla birlikte, telekomünikasyon uygulamalarındaki sanal ağ işlevlerinin isterleri sıradan IT uygulamalarından farklıdır. Telekomünikasyon uygulamaları veri düzleminde paket işleme işlevlerinin yanı sıra çok düşük gecikme, neredeyse sıfır kesinti süresi, yüksek trafik kapasitesi ve sıradan IT uygulamalarından 1000 kat fazla veri akış hızı gibi oldukça zorlayıcı isterlere sahiptir. Sonuç olarak, telekomünikasyon uygulamalarında kullanılan CNF'ler trafik yüküne göre esnek, düşük gecikmeli, çok yüksek performanslı ve yüksek trafik yükü altında dirençli olmalıdır. Önceki araştırmalar, üst ağların kapsülleme, dekapülasyon veya yönlendirme nedeniyle ağ performansında kötüleşmeler meydana getirdiğini ortaya koymuştur. Bununla birlikte, konteyner ağ çözümleri farklı uygulama yöntemleri kullanarak farklı performanslar verebilmektedir. Bu sebeple, uygulama türüne göre en iyi performansa sahip konteyner ağ oluşturma çözümünü seçmek belirli VNF işlemleri için kritik öneme sahiptir. Çünkü, VNF uygulamaları için trafik talebi dalgalanabilir ve çeşitli durumlara bağlı olarak artabilir. Sonuç olarak, VNF uygulamaları için konteyner küme ağ çözümlerinin performansı; ağ oluşturma yöntemlerine, uygulama türlerine ve trafik hacmine bağlı olarak değişebilir. Bu çalışma, iş yükünü, trafik türünü ve trafik hacmini kapsamlı bir şekilde dikkate alarak yüksek performanslı konteyner ağı çözümünü keşfetmeyi amaçlamaktadır. Çok sayıda konteyner küme ağ çözümünün davranışı - Flannel, Weave, Libnetwork, Open vSwitch için açık sanal ağ ve Calico - en yaygın kullanılan konteyner ağı işlevleri açısından MongoDB ve Web erişimi biçiminde araştırılmaktadır. Bu nedenle, bu çalışma, daha önce gerçekleştirilmemiş olan konteyner küme ağ çözümleri üzerinde veri tabanı ve web uygulaması erişimi gibi en çok kullanılan NFV iş yükleri için yüksek trafik yükü altında performans ve güvenilirlik analizi boşluğunu doldurmaktadır. Bu tez, konteyner ağ oluşturma çözümlerini iki açıdan değerlendirerek katkı sağlar; tekli iş parçacığı davranışları ve çoklu iş parçacığı kullanılarak trafik yüküne göre davranışlar. Başlangıçta, kapasite, gecikme, bant genişliği ve güvenilirlik göz önünde bulundurularak üst ağ oluşturma çözümlerinin sıradan davranışlarını ölçmek için temel testler tek bir iş parçacığı ile yapılır. Daha sonra, ağır yük durumları birkaç paralel iş parçacığı ile taklit edilmiştir. Performans ve güvenilirlik; ağ debisi, gecikme, bant genişliği, yanıt süreleri, Jitter, yeniden iletilen TCP segmentleri ve kayıp datagramlar açısından farklı trafik yükleri altında web erişimi ve MongoDB işlemleri gibi farklı iş yükleri kullanılarak ölçülmüştür. Pratik olarak, test edilmiş iş yükleri, VNF'lerdeki ortak kullanımlarından dolayı seçilir ve konteyner ağ oluşturma çözümlerinin iş yüklerine göre uygunluğu açıkça ortaya konulur. Tek iş parçacıklı değerlendirmelerde, bare-metal sunucuların performansı, verim ve gecikme açısından konteyner ağ oluşturma çözümleriyle de karşılaştırılır. Konteyner ağ çözümleri paket yönlendirme veya kapsülleme ek yüklerine sahip olduğundan bare-metal ana bilgisayarları tüm konteyner ağ çözümlerinden daha iyi performans gösterir. Şaşırtıcı bir şekilde, 4096 bayt mesaj boyutları için Calico'nun iş hacminin TCP_CRR testlerinde bare-metal sunucu iş hacmini geçmesi Docker'ın donanım boşaltma özellikleri etkisi ile açıklanabilmektedir. Bu çalışma ayrıca konteyner ağ çözümlerindeki donanım boşaltma iyileştirmesini de desteklemektedir. Tek iş parçacıklı değerlendirmelerde, OVN, UDP trafiğinde düşük bant genişliği ile birlikte TCP trafiği için verim, bant genişliği ve gecikme için tatmin edici sonuçlar vermez. Bu durum OVN'nin Geneve donanım boşaltma özelliğini kullanamaması, daha büyük üst ağ başlık boyutu, OVS uzun veri yolu ve ilk akış oluşturmada yaşanan kayıplar ile açıklanabilir. Weave, tüm pencere boyutlarında düşük güvenilirliğe sahip küçük ve büyük pencere boyutlarında sırasıyla ortalama ve düşük bant genişliğine sahip OVN'den sonra en kötü performans gösteren ikinci çözümdür. Bu vesile ile, Weave tek iş yükü ile gerçekleştirilen testlerde diğer çözümlerle karşılaştırıldığında yeterli performansı gösterememiştir. Libnetwork diğer üst ağ çözümlerine benzer bazı dezavantajlara sahip olduğu için, Libnetwork'ün tek iş parçacığı testlerinde performansı, Calico ile karşılaştırıldığında tatmin edici değildir. Flannel, düşük bant genişliği ve yüksek gecikme çıktıları verdiği için tek iş parçacığı performans değerlendirmelerinde verimli bulunmamıştır. Calico, tüm tek iş parçacığı operasyonlarını göz önünde bulundurulduğunda, en iyi performansı gösteren çözümdür. Calico bir üst ağ çözümü olmadığından bu sonuç makuldür. BGP ve L3 yönlendirme kullanan Calico, herhangi bir kapsülleme ek yükünden etkilenmez. Çok iş parçacıklı değerlendirmelerde, OVN tüm iş yükü işlemleri için nispeten düşük çoklu iş parçacığı kazancı sağlar. Weave, tüm veri tabanı işlemleri için yüksek çoklu iş parçacığı kazancı sunar, ancak web erişimi işlemleri için oldukça düşük kazanç sağlar. Libnetwork, veri tabanı güncelleme işlemleri hariç tüm iş yükleri için en yüksek çoklu iş parçacığı kazancını sağlar. Bununla birlikte, Libnetwork'ün performansı, yoğun trafik yükü altında tüm konteyner ağı çözümleri arasında en çok kötüleşendir. Flannel, tüm veri tabanı işlemleri için düşük çoklu iş parçacığı kazancı sağlarken, web erişimi işlemleri için ortalama çoklu iş parçacığı kazancı sunar. Flanel, Jitter, kayıp UDP datagramları ve yeniden iletilen TCP segmentleri açısından en az güvenilir çözümdür. Calico, tüm iş yükü işlemleri için düşük çoklu iş parçacığı kazancı sağlar. Calico, çoklu iş parçağı kullanımından Libnetwork ve Weave çözümleri kadar faydalanamamıştır. Ancak, Calico'nun performansı trafik yükünden de pek etkilenmemiştir. Çok iş parçacıklı değerlendirmeler, çözümlerin hiçbirinin optimum veya ağır yük durumlarında tüm iş yükü türleri için yüksek bir verim sağlamadığını göstermektedir. Bu nedenle, bu araştırma, geleneksel konteyner ağı uygulama yöntemlerinin, konteyner ağ işlevlerinin ağ performansı gereksinimlerini karşılayamayabileceği görüşünü sunmaktadır. Bunun nedeni, konteyner ağ performansının trafik yüküne ve uygulama türüne bağlı olarak dinamik bir şekilde değişmesidir. Bu sorunun üstesinden gelebilmek için, Smart Container Network Interface Manager'ı konteyner izleme araçlarıyla birlikte kullanan yeni bir akıllı konteyner ağı mimarisi önerilmektedir. Önerilen mimari, konteyner'ların istenen performans gereksinimlerine bağlı olarak birçok ağ çözümünü dinamik olarak kullanmasına olanak sağlamaktadır.