Yazılım Tanımlı Ağlar İçin Yeşil Yönlendirmede Sinyalleşme Maliyetini Minimize Etme

Abstract

Yeni nesil ağların kurulumuyla birlikte, çevresel etkileri ve potansiyel ekonomik faydaları nedeniyle telekomünikasyon ağlarında enerji tüketimini azaltmaya acil bir ihtiyaç vardır. 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. Bazı araştırma çalışmaları, iletişim ağlarındaki enerji tüketiminin iletişim linkleri gibi aktif ağ elemanlarıyla ilişkili olduğunu göstermektedir. İletişim ağlarının düşük trafik yoğunluklarında bile çalışmalarına devam etmeleri enerji tüketimini artırmaktadır. Bu bağlamda, genel olarak yeşil teknikler olarak bilinen pek çok enerji yönetim tekniği önerilmiştir. Bu yöntemlerin temel amacı, ağ trafiğini belli bir ağ kaynakları kümesi aracılığıyla yönlendirerek ve kullanılmayan kaynaklarını kapatarak enerji tüketimini minimize etmektir. Bazı araştırmacılar, var olan yeşil yöntemleri ağ temelli ve yerel (cihaz seviyesinde) yaklaşımlar olarak iki gruba ayırmıştır. Cihaz temelli yaklaşımlar ileri teknolojili donanımlar sayesinde ağ cihazlarının enerji verimliliğini iyileştirmeyi amaçlamaktadırlar. Bu yaklaşımlarda ağ cihazı yerel şekilde alınan kararlar sonucunda uyku moduna veya düşüş enerji tüketen bir moda alınmaktadır. Yönlendirme perspektifinden bakarak ağdaki toplam enerji tüketimini azaltmayı amaçlayan ağ temelli yaklaşımlar ise kablolu ağlarda enerji tasarrufu için umut verici yaklaşımlar olarak değerlendirilmektedir. Ağ temelli yaklaşımlar yeşil yönlendirme adıyla da geçmektedir; amaçları ise ağ kaynaklarının belli bir alt kümesi üzerinde talepleri toplamak ve kullanılmayan diğer kaynakları kapatmak veya uyku moduna almaktır. Şu anda var olan yeşil teknikler, seçmeli olarak ağ kaynaklarını kapatıp açmaları nedeniyle yönlendirme sistemi üzerinde bir sinyalleşme maliyeti oluşturmaktadırlar ve hangi cihazların kapatılıp açılacağını belirlemek için merkezi bir ağ yönetim paradigmasını gerektirmektedirler. Ancak, şu anda var olan OSPF veya IBGP gibi ağ paradigmaları böyle bir merkezi yönetimi sağlamamaktadır. OSPF veya IBGP komşuluk bilgilerine dayanan bir yönlendirme modeli üzerine inşa edilmişlerdir. Her yönlendiricinin komşu bağlantılar ile arasındaki bilgilere göre karar veriyor olması, komşuluk bilgilerinin güncellemesi ağın büyümesi ile zaman alan bir işlem olmakta, güncelleme yapılana kadar ağ bilgileri değişmektedir. Yakın zamanda, yazılım tanımlı ağ (software define networks) fikri öne atılmıştır. 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. Ağın merkezi olarak yönetimi SDN'i yeşil ağ yönlendirmesi tekniklerini geliştirmek açısından uygun bir teknoloji kılmaktadır. Bu tezde ele aldığımız SDN ağında, kontrol ünitesi iki tipte kontrol mesajı üretmektedir: yönlendirme güncellemesi ve uyku mesajları. Yönlendirme güncellemesi mesajları yeni akış tablosu girdilerini içermektedirler ve hesaplanan patikalar üzerindeki tüm düğümlere gönderilmektedirler. Uyku mesajları ise uyuma kararı verilen tüm linklerin her iki ucuna birden gönderilmektedirler. Bu tezde, yazılım tanımlı bir ağda enerji verimliliği ve sinyalleşme maliyeti arasındaki ödünleşimi adresliyoruz. Tek bir kontrol ünitesinden oluşan bir SDN ağında ağın enerji tüketimini dikkate alarak sinyalleşme maliyetini minimize eden iki adet yeşil yönlendirme problemi formüle ediyoruz. Bu optimizasyon problemlerini tamsayı doğrusal programlama (Integer Linear Programming) problemleri olarak formüle ediyoruz. Önerdiğimiz ILP formülasyonları Sinyalleşme Maliyeti Farkındalığı olan Yeşil Yönlendirme (Signaling Overhead-Aware Green Routing, SOAGR) ve Genişletilmiş Sinyalleşme Maliyeti Farkındalığı olan Yeşil Yönlendirme (Extended Signaling Overhead-Aware Green Routing, E-SOAGR) olarak isimlendirilmiştir. E-SOAGR'ın ILP formülasyonu, SOAGR'ın ILP formülasyonunun genişletilmiş halidir ve aşağıdaki ilave özellikleri içermektedir: • çoklu patikalı yönlendirme • yönlendirme tablosunun büyüklüğünü dikkate alma • farklı trafik talepleri için farklı bantgenişliği gerekliliklerini dikkate alma Her iki yeşil yönlendirme modelini de IBM ILOG CPLEX optimizasyon yazılımı aracılığıyla uyguluyor ve optimal çözümleri buluyoruz. Ancak SOAGR ve E-SOAGR hesaplama karmaşıklığı açısından çok zor problemlerdir. Dolayısıyla, her iki model için de optimale yakın sonuçlar bulmak amacıyla polinom zamanlı buluşsal algoritmalar öneriyoruz. Tez kapsamında, ILP formülasyonlarımızın ve buluşsal algoritmalarımızın performanslarını karşılaştırmak için hem rastlantısal hem de gerçek ağ topolojilerinde simülasyon çalışmaları yaptık. Bu çalışmalar, önerdiğimiz modellerin sinyalleşme maliyeti ve enerji verimliliği arasındaki ödünleşimi adreslediğini ve buluşsal algoritmalarımızın ürettiği çözümlerin kalitesinin optimal çözümlere oldukça yakın olduğunu göstermektedir. ILP'lerin ve heuristic'lerin performanslarını sinyalleşme maliyeti, enerji verimliliği ve bloke olma oranı açısından inceledik. SOAGR problemi için olan deneylerde, ağın enerji eşik değerinin ve ağ yoğunluğunun sinyalleşme maliyeti üzerindeki etkisini rastsal olarak üretilmiş topolojileri kullanarak inceledik. E-SOAGR ILP formülasyonu için ise gerçekçi topolojiler üzerinde bir takım deneyler yaptık. Bu amaçla, GEANR ve JANOS-US isminde iki topolojiyi seçtik. Yaptığımız deneylerde ağ enerji eşik değerinin sinyalleşme maliyeti üzerindeki etkisini inceledik. Ayrıca, trafik yükünün ve çoklu yönlendirmenin taleplerin bloke olma oranı üzerindeki etkilerini de inceledik.

Currently, with the development of next generation networks, there is an urgent request for reducing energy consumption in telecommunication networks due to its environmental impact and potential economic benefits. Some research studies show that energy consumption in communication networks is mainly related to active network elements such as communication links. Based on this approach, several energy management techniques, generally known as green techniques, have been proposed. Their main goal is to minimize energy consumption by routing network traffic through a set of network resources and powering off the remaining unused resources. The current green techniques impose a signaling overhead on the routing system due to selectively powering off/on the network resources and require a centralized network management paradigm to determine which devices to switch off/on. However, the existing networking paradigms including OSPF or IBGP networks do not provide such a centralized management. Recently, the idea of software defined networking (SDN) has been put forward. SDN is a networking paradigm in which the network control is (logically) centralized in the controller and network devices are simple forwarding devices that can be programmed by the controller. The centralized management of the network makes SDN a proper paradigm for developing green routing techniques. In this thesis, we address the trade-off between energy efficiency and signaling overhead in a software defined network (SDN). We formulate two green routing problems which minimize signaling overhead in an SDN network with a single domain while taking the network energy consumption into account. We formulate these optimization problems using Integer Linear Programming (ILP). Our proposed ILP formulations are Signaling Overhead-Aware Green Routing (SOAGR) and Extended Signaling Overhead-Aware Green Routing (E-SOAGR). The ILP formulation of E-SOAGR, which is an extension of the ILP formulation of SOAGR, presents a more general model by introducing additional features such as multipath routing, taking into account routing table sizes of the forwarding hardware and considering different bandwidth requirements for demands. We implement the two green routing models in the IBM ILOG CPLEX Optimization Studio and find optimal solutions for both SOAGR and E-SOAGR models. However, SOAGR and E-SOAGR are computationally very difficult problems. Therefore, we develop polynomial-time heuristic algorithms to find near-optimal solutions for both models. We compare the performance of our proposed green routing models and heuristics by conducting experiments on both random and realistic network topologies. The obtained results demonstrate the tradeoff between energy efficiency and signaling overhead.