Ağ iletişimlerinde temel yenilikçi çözümlerin standartlaştırılması

Abstract

Ağ iletişimlerindeki problemler oldukça eskiye dayanır. Bu problemleri çözmek için birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar, günümüzde OSI model olarak adlandırdığımız, katmanlı bir iletişim yapısını ortaya çıkarmıştır. Bu katmanlardan birisi uygulama katmanıdır. Mesajlaşma ile ilgili problemler, bu katmana aittir. Dolayısıyla, mesajlaşma ile ilgili özellikler bu katmanda kullanılır. Bazı mesajlaşma özelliklerini standartlaştırmak için, bazı uygulama katmanı protokoller oluşturulmuştur. AMQP, MQTT vb. protokoller, uygulama katmanı protokollerine örnektir. Bu araştırmada da, temel yenilikçi çözümler uygulama katmanında değerlendirilir. Uygulamalar, mesajlaşma ile ilgili sorunları farklı şekillerde çözmektedir. Bazı özellikler uygulama koduyla, bazıları kütüphanelerle ve bazıları da protokollerle standardize edilerek sağlanır. Uygulama koduna eklenen mesajlaşma özelliklerinin her uygulama için tekrar tekrar yazılması gerekmektedir. Her uygulama için gerekli mesajlaşma özelliklerinin kodlarının tekrar tekrar yazılması, iş gücü kaybına, hata olasılığına, kodun her seferinde artan karmaşıklığına neden olur. Mesajlaşma sorunlarını kütüphane kodları ile çözmek, bu kütüphanenin diğer tüm uç noktalarla paylaşılmasını gerekli kılar. Bu nedenle mesajlaşma özelliklerinin bir protokol ile standardize edilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, yerel ağlarda ve IoT'de kullanılmak üzere temel yenilikçi özellikleri standartlaştırarak iş gücü kazancı sağlanması, uygulama kodunun karmaşıklığının azaltılması, çözümlerin her uç nokta için ortaklanması amaçlanmıştır. Bir protokol standardı oluşturmak için, protokollere ait özelliklerin arkaplan bilgisine ihtiyaç vardır. Bu yüzden öncelikle, ikili-metin protokoller, iletişim modelleri, merkezi-merkeziyetsiz yaklaşımlar gibi arkaplan bilgileri incelenmiştir. İkili protokoller, verileri ikili olarak ileten protokollerdir. Metin protokolleri, verileri Unicode veya ASCII olarak ileten protokollerdir. İkili protokoller, verilerin daha küçük boyutlarda iletilmesini sağladığı için performans açısından daha iyidir. Metin protokolleri, verileri daha büyük boyutlarda iletmesine karşın ikili protokollere kıyasla kolayca hata ayıklanabilir ve veriler insan tarafından okunabilirdir. Hem yüksek performans özelliği, hem verinin okunabilir olma özelliğine sahip olmak için, izleyici uç noktanın, ikili verilerin metin karşılıklarını bilmesi gerekir. Ayrıca ikili protokoller için bayt sırası (endianness) önemliyken, metin protokolleri için bayt sırası önemli değildir. Cihazın endianness tipi little-endian veya big-endian olabilir. İkili protokollerde, farklı endianness'e sahip iki cihaz iletişim kurduğunda, verilerin serileştirilmesinden önce ve verinin serisini çözümleme işleminden önce verilerin bayt adreslemesi tersine çevrilmelidir. Bu problemlerin çözümleri, uygulama katmanında standartlaştırılırsa, geliştiricilerin bu problemleri tekrar tekrar çözmeye çalışmasına gerek kalmaz. Sunucu-istemci modeli, birden fazla istemci uç noktasının tek bir sunucu uç noktasından hizmet talep ettiği bir modeldir. Yayınla-abone ol modeli, yayıncı ve abone uç noktalarının merkezi bir mesaj yönelimli ara yazılım aracılığıyla mesaj iletimlerini sağlayan bir modeldir. Uç noktalar, konulara abone olur veya mesajları yayınlar. Mesaj aracısı, yayınlanan mesajları, mesaja abone olan uç noktalara iletir. Mesaj aracısı, gevşek bağlantı ve esneklik sağlar. Uç noktalar, birbirlerinin varlığından bağımsız olarak mesajlaşmaya devam eder. Transformatörler ve filtreler, mesaj aracısı üzerinde çalışabilir. Gevşek bağlantı aynı zamanda bir dezavantajdır. Yayıncı uç noktaları, abone uç noktalarının iletişim kurup kurmadığından emin olamaz. Yayıncılar ve aboneler arttıkça, mesaj aracısını aşırı yükleyebilir. Mesaj aracısı, merkezi olduğundan darboğaza neden olabilir. Bu, yatay ölçeklenebilirliği sınırlar. İletileri doğrudan hedef uç noktalara iletmek yerine önce mesaj aracısına iletmek gecikmeyi artırır. Mesaj aracısı ile gelen bu problemlerden kurtulmak için, merkezi olmayan yayınla-abone ol modeline ihtiyaç vardır. Mesajlaşan uç noktalar için en büyük sorunlardan biri, uç noktalardan birinde mesaj yapılarının güncel olmaması veya yanlış implement edilmiş olmasıdır. Mevcut mesajlaşma protokolleri için, bir bağlantıdaki uç noktaların mesaj yapılarının uyumluluğunu kontrol etmeye yönelik standart bir yaklaşım yoktur. Bir iletişimde giden ve gelen mesajları izlemek kritik olabilir. Mesaj gönderme noktadan noktaya ise, üçüncü bir izleme uzak uç noktası iletişime dahil edilemez. IP paket başlığındaki hedef IP adresi, noktadan noktaya iletişim için tek bir cihaza ait olmalıdır. Bu problem, uygulama katmanında üçüncü uzak noktalara yönlendirme yapılarak çözülebilir. Birçok uygulama katmanı protokolü, taşıma katmanındaki bir protokole bağlıdır. Bu da gelecek kullanımları kısıtlayabilir. Örneğin, QUIC protokolü, TCP'nin yerini aldığını varsayalım. Artık TCP implementasyonlarının ortadan kalktığını varsayalım. Bu durumda, düzinelerce TCP tabanlı protokolün yeni bir sürümle QUIC tabanlı olması gerekecektir. Bu yüzden alt protokollerden soyutlanmak, gelecek kullanımlar için önemlidir. Birden çok protokol kullanmak için birden çok iletişim arabirimi oluşturulmalıdır. Ancak bir protokol, çoklu alt katman protokol ile kullanılabilir olma özelliğine sahip ise, tek bir iletişim arabirimi yeterli olacaktır. Bu çalışmada, mevcut protokollerin, bu sorunları ne kadar çözdüğüne dair veriler toplandı. Bu sorunları çözen özellikler ile mevcut protokolleri kullanarak bir tablo oluşturuldu. Diğer uygulama katmanı protokollerinin tüm bu özellikleri desteklemediği görülmektedir. Bu nedenle, bu özellikleri sağlayan yeni bir protokole ihtiyaç vardır. Bu protokolün adı mesajlaşma kontrol protokolüdür (MCP). MCP'nin hedeflediği kullanım alanı daha çok yerel ağ iletişimleridir. MCP, daha çok yerel ağ iletişimleri, asenkron iletişimler, non-stateless iletişimler ve gömülü sistemlerde kullanılabilecek özelliklere yoğunlaşmıştır. MCP'nin alt katman protokollerinden bağımsız olması için ve çoklu alt protokollerle kullanılabilmesi için MCP'nin iki bileşeni vardır: MCP Adaptörü ve iletişim arayüzü. MCP Adaptörü, MCP'nin ön koşullarını sağlamak için gereklidir. Alt protokollerin işlevlerini kullanmak için iletişim arayüzü gereklidir. Böylece MCP alt protokollerden bağımsız hale gelir ve birden fazla alt protokol ile kullanılabilir. MCP'de iki mesaj sınıfı vardır: MCP Standart Mesajı, MCP Uygulama Mesajı. MCP, MCP standart mesajları olarak adlandırılan, uygulama kodundan bağımsız yerleşik mesajlara sahiptir. 5 tür standart mesaj vardır: El Sıkışma Mesajı, Kalp Atışı Mesajı, Rol Başvuru Mesajı, Abone Olma Mesajı, Abonelikten Çıkma Mesajı. İstemciler, kullanıcı tanımlı mesajların yapılarını el sıkışma istek mesajı ile JSON formatında gönderir. Böylece uç noktaların mesaj uyumlulukları kontrol edilir. Sunucu, endianness tipini el sıkışma yanıt mesajı ile gönderir. İstemci, sunucunun endianness tipini öğrenir. İstemci ve sunucunun endianness türleri farklıysa, istemci verilerin bayt sıralamasını otomatik olarak değiştirir. Bağlantının canlı olup olmadığını tespit etmek için periyodik olarak kalp atışı mesajı gönderilir. Bir istemci, bir mesaja abone olmak için ya da bir mesajın aboneliğinden çıkmak için Abone Olma Mesajı ve Abonelikten Çıkma Mesajını kullanır. MCP uygulama mesajları, uygulama kodunda tanımlanan mesajlardır. Dört tür uygulama mesajı vardır: İstek-Yanıt Mesajı, Olay Mesajı, Başlangıç Mesajı, Rapor Mesajı. İstek-yanıt mesajları için, yalnızca ilgili istek mesajı alındığında ilgili yanıt mesajı oluşturularak iletişim sağlanır. Olay mesajları, bir olayın tetiklenmesi ile iletilir. Olay mesajları tüm bağlı abone istemcilerine gönderilir. Başlangıç mesajı, aslında bağlantı kurulduğunda tetiklenen bir olay mesajıdır. Rapor mesajı, aslında zamana göre tetiklenen bir olay mesajıdır. Yetkilendirme için rol tabanlı erişim kontrol yöntemi kullanılır. İstemcilerin MCP bağlantısında rolleri vardır. İstemcilerin rolleri, mesajlaşma arayüzündeki mesajların erişilebilirliğini belirler. Sunucu, her mesaj için hangi istemci rollerinin erişebileceğini belirler. Rollerin istemcilere atanmasını ise, admin rolündeki istemci gerçekleştirir. Noktadan noktaya iletişimde mesajları izlemek isteyen istemcilerin rolü, izleme rolüdür. İzleyici rolü, iletilerin erişilebilirliğinden bağımsızdır. Noktadan noktaya iletişimdeki tüm mesajlar monitör istemcisine iletilir. İzleme istemcisi, iletişime katılmak için bir bağlantı isteği gönderir. Monitör, bağlantı kurma aşamasında el sıkışma mesajı ile mesaj yapılarını alır ve iletişimdeki ikili verilerin metin karşılıklarını öğrenir. Böylece veriler ikili olarak iletilse de, metin olarak görüntülenebilir. Uygulama katmanında oluşturulan MCP protokolü, mesajlaşma problemlerini protokol kodunda çözerek problemlerin çözümünü standardize eder. Diğer uygulama katmanı protokolleri, MCP'nin çözdüğü tüm sorunları çözemez. Bu nedenle, MCP fark yaratır. MCP kullanılırsa, bu çalışmada belirtilen çözümlerin uygulama kodunda olmasına gerek kalmaz. Böylece uygulama kodunun karmaşıklığı azaltılmakta ve mesajlaşma özelliklerinde oluşabilecek hatalar ortadan kaldırılmaktadır. MCP sadece mesajlaşma için birçok özellik sunmakla kalmaz, aynı zamanda performansa da önem verir. Performans için, MCP dinamik başlık boyutunu kullanır ve MCP ikili protokoldür. MCP, temel mesajlaşma problemlerine odaklandığı ve performansı önemsediği için yerel ağların yanında IoT'ye de uygulanabilir. Gelecekte IoT alanında MCP'nin kullanılabilmesi için analizler yapılabilir. Sonuç olarak, MCP yenilikçi temel mesajlaşma özellikleri sağlar, bu özellikleri standardize ederek hata olasılığını azaltır ve uygulama kodunun karmaşıklığını azaltır.