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面向軟件定義網絡的服務功能鏈優(yōu)化部署算法研究

盧昱 劉益岑 李璽 陳興凱 喬文欣 陳立云

盧昱, 劉益岑, 李璽, 陳興凱, 喬文欣, 陳立云. 面向軟件定義網絡的服務功能鏈優(yōu)化部署算法研究[J]. 電子與信息學報, 2019, 41(1): 74-82. doi: 10.11999/JEIT180264
引用本文: 盧昱, 劉益岑, 李璽, 陳興凱, 喬文欣, 陳立云. 面向軟件定義網絡的服務功能鏈優(yōu)化部署算法研究[J]. 電子與信息學報, 2019, 41(1): 74-82. doi: 10.11999/JEIT180264
Yu LU, Yicen LIU, Xi LI, Xingkai CHEN, Wenxin QIAO, Liyun CHEN. Research on Placement Algorithm of Service Function Chaining Oriented to Software Defined Networking[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(1): 74-82. doi: 10.11999/JEIT180264
Citation: Yu LU, Yicen LIU, Xi LI, Xingkai CHEN, Wenxin QIAO, Liyun CHEN. Research on Placement Algorithm of Service Function Chaining Oriented to Software Defined Networking[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(1): 74-82. doi: 10.11999/JEIT180264

面向軟件定義網絡的服務功能鏈優(yōu)化部署算法研究

doi: 10.11999/JEIT180264 cstr: 32379.14.JEIT180264
基金項目: 國家自然科學基金(51377170, 61271152),國家青年科學基金(61602505)
詳細信息
    作者簡介:

    盧昱:男,1960年生,教授,研究方向為下一代網絡體系架構

    劉益岑:男,1990年生,碩士生,研究方向為智能VNF編排技術、軟件定義服務

    李璽:男,1982年生,講師,研究方向為新型信息網絡關鍵理論與技術

    陳興凱:男,1988年生,博士生,研究方向為未來網絡體系架構關鍵技術

    喬文欣:女,1992年生,博士生,研究方向為網絡虛擬化技術可靠性

    陳立云:男,1968年生,教授,研究方向為深度學習、人工智能

    通訊作者:

    劉益岑 18419764051@163.com

  • 中圖分類號: TN915.81

Research on Placement Algorithm of Service Function Chaining Oriented to Software Defined Networking

Funds: The National Natural Science Foundation of China (51377170, 61271152), The National Youth Science Fund Project (61602505)
  • 摘要:

    針對網絡功能虛擬化(NFV)環(huán)境下,現有服務功能鏈部署方法無法在優(yōu)化映射代價的同時保證服務路徑時延的問題,該文提出一種基于IQGA-Viterbi學習算法的服務功能鏈優(yōu)化部署方法。在隱馬爾可夫模型參數訓練過程中,針對傳統(tǒng)Baum-Welch算法訓練網絡參數容易陷入局部最優(yōu)的缺陷,改進量子遺傳算法對模型參數進行訓練優(yōu)化,在每一迭代周期內通過等比例復制適應度最佳種群的方式,保持可行解多樣性和擴大空間搜索范圍,進一步提高模型參數的精確度。在隱馬爾科夫鏈求解過程中,針對隱含序列無法直接觀測這一難點,利用Viterbi算法能精確求解隱含序列的優(yōu)勢,解決有向圖網絡中服務路徑的優(yōu)化選擇問題。仿真實驗結果表明,與其它部署算法相比,所提IQGA-Viterbi學習算法能有效降低網絡時延和映射代價的同時,提高了網絡服務的請求接受率。

  • 圖  1  基于SDN的服務功能鏈部署模型

    圖  2  2級映射模型

    圖  3  HMM參數的染色體編碼

    圖  4  t時刻網絡視圖

    圖  5  Abilene骨干網拓撲結構

    圖  6  不同算法的尋優(yōu)性能比較

    圖  7  不同請求強度下的服務請求處理時間

    圖  8  不同請求強度下的服務請求接受率

    圖  9  不同請求強度下的服務鏈映射代價

    圖  10  不同請求強度下的時延均值比較

    表  1  IQGA-Viterbi學習算法具體過程

     輸入:服務請求序列O,底層網絡初始參數${{λ}}$0
     輸出:最小化開銷部署策略 $\pi_s$
     步驟 1 ?IQGA算法初始化。設置訓練所用的觀測序列O數目為K,將底層初始網絡參數編碼成種群大小為M、量子比特編碼長度為N的染
    色體。記迭代次數t的種群$P(t)=\left\{C^{(t)}_1,C^{(t)}_2,·\!·\!·,C^{(t)}_M \right\}$,其中種群個體C(t) M(m=1,2,···,M)的量子比特表示,初始狀態(tài)的網絡參數
    可表示為如式(4)。
              ${C} _m^{(0)} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\alpha _{m1}^{(0)}} \\ {\beta _{m1}^{(0)}} \end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}} {\alpha _{m2}^{(0)}} \\ {\beta _{m2}^{(0)}} \end{array}} \right.\left| {\begin{array}{*{20}{c}} {·\!·\!· } \\ {·\!·\!· } \end{array}} \right.\left| {\begin{array}{*{20}{c}} {\alpha _{mN}^{(0)}} \\ {\beta _{mN}^{(0)}} \end{array}} \right.} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{1 / {\sqrt 2 }}} \\ {{1 / {\sqrt 2 }}} \end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}} {{1 / {\sqrt 2 }}} \\ {{1 / {\sqrt 2 }}} \end{array}} \right.\left| {\begin{array}{*{20}{c}} {·\!·\!· } \\ {·\!·\!· } \end{array}} \right.\left| {\begin{array}{*{20}{c}} {{1 / {\sqrt 2 }}} \\ {{1 / {\sqrt 2 }}} \end{array}} \right.} \right],\ m = 1,2,·\!·\!· ,M$ (4)
     步驟 2 ?種群P(t)復制、變異和選擇。對于種群P(t)進行等比例復制生成P$\,'$(t),利用高斯變異的操作對種群P$\,'$(t)進行更新,并生成種群
    P$\,''$(t),通過選擇等比例壓縮P$\,''$(t)生成P(t+1)。
     步驟 3 ?評價種群P(t+1)。對于經選擇后種群P(t+1)中個體的量子位進行測量,隨機生成[0, 1]的隨機數,若該隨機數大于或等于${\left| \alpha \right|^2}$或
    ${\left| \beta \right|^2}$,則測量的結果取值為1,否則取0。該過程是得到每個個體測量后的狀態(tài)${{{X}}_{C} } = \left\{ {{{x} _1},{{x} _2},·\!·\!· ,{{x} _{N} }} \right\}$,并將其轉化為十進制數,代
    入目標函數如式(5)。
                             ${\rm{Fitness} }({X_C}) = \frac{1}{K}\sum\limits_{k = 0}^K {\frac{1}{{{{{C}}^{(k)}}}}} $ (5)
     步驟 4 ?更新重估計開銷值${\widehat {{a}}_{ij}}$, ${\widehat {}_{ik}}$。記錄并保存當前迭代次數t的最佳個體,以及其對應的開銷數值矩陣${\widehat {{A}}_{n \times n}}$和${\widehat {{B}}_{m \times n}}$,據此更新模型重估
    參數${\widehat {{a}}_{ij}}$, ${\widehat {}_{ik}}$,在迭代次數t+1時更新網絡底層視圖,并繼續(xù)對底層網絡參數反復迭代、重估。采用最大進化迭代次數Max_step作
    為算法的終止條件,判斷是否到達最大進化迭代次數,若是則終止進化后得到一組最優(yōu)的網絡底層參數${{λ}}$=(A,B,${{Π}}$),否則返回
    至步驟2繼續(xù)迭代。
     步驟 5 ?Viterbi算法參數初始化。將IQGA算法得到${{λ}}$=(A,B,${{Π}}$)和觀測序列O作為Viterbi的輸入。
     步驟 6 ?Viterbi變量${\delta _t}({j} )$遞推。從源端節(jié)點${{{v}}_{{s}}}$開始,根據服務鏈中VNF編排順序${\varphi _l}$,在每個迭代周期內計算從服務節(jié)點si到候選節(jié)點sj的最
    小開銷,即Viterbi變量${\delta _t}\left( {j} \right) = \min \left[ {{{A}}\left( {{{s} _i},{{s} _j}} \right) + {{B}}\left( {{{s} _j},{{f} _m}} \right)} \right]$的計算,按照式(6)的遞推方式,搜索整個觀察序列O條件下的具體服務
    路徑S,直到最后流出目的節(jié)點${{{v}}_t}$。位于不同時刻的部署開銷值,取其中最小值,進而得到最小開銷服務路徑的函數值$\min {\delta _t}({f_m})$。
                    $\left. \begin{aligned}{{q7j3ldu95}_{{{{t}}_1}}}({{{f}}_{{1}}})=& {q7j3ldu95}({{{s}}_1}) \\ {{q7j3ldu95}_{{{{t}}_2}}}({{{f}}_2})=&{{ \min}}\left\{ {{{q7j3ldu95}_{{{{t}}_1}}}({{{f}}_1}) + {{A}}({{{s}}_1}{{,}}{{{s}}_k}) + {{B}}({{{s}}_k}{{,}}{{{f}}_2})} \right\} \\ & \vdots \\ {{q7j3ldu95}_{{t_m}}}({{{f}}_m})=&{{\min}}\left\{ {{{q7j3ldu95}_{{{t - 1}}}}({{{f}}_{{{m - 1}}}}) + {{A}}({{{s}}_{{j}}}{{,}}{{{s}}_{{n}}}) + {{B}}({{{s}}_{{n}}}{{,}}{{{f}}_m})} \right\}\end{aligned}\right\} $ (6)
     步驟7 ?標記函數${\varphi _t}({{i}})$回溯。記錄位于當前時刻最小開銷序列應選取的前一時刻部署服務節(jié)點,利用標記函數${\varphi _t}\left( {i} \right) = \arg \min \left[ {{A}}\left( {{{s} _i},{{s} _j}} \right)\right. $
    $ \left.+ {{B}}\left( {{{s} _j},{{f} _m}} \right) \right]$依次回溯,以服務鏈l 中最后一個VNF節(jié)點選取開銷最小時所選擇的服務節(jié)點sn為起點,沿著函數${{{s}}_{i - 1}} = {\varphi _t}({{{s}}_i})$給出
    上一時刻所選擇的服務節(jié)點,直到計算出s1,得到開銷最小狀態(tài)序列路徑,并輸出服務路徑的構造方案${\pi _{{s}}}{{ = }}\left\{ {{\pi _{{{{f}}_1}}}{{,}}{\pi _{{{{f}}_2}}}{{,}}·\!·\!· {{,}}{\pi _{{{{f}}_m}}}} \right\}$。
    下載: 導出CSV

    表  2  算法測試結果統(tǒng)計與比較

    算法誤差最小值平均迭代數
    IQGA0.21420
    QGA0.22348
    BW0.24876
    下載: 導出CSV
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出版歷程
  • 收稿日期:  2018-03-21
  • 修回日期:  2018-07-27
  • 網絡出版日期:  2018-08-24
  • 刊出日期:  2019-01-01

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