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一种软件定义网络中基于深度强化学习的路由选择算法

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光通信技术 2024年

作者：袁帅张惠蔡安亮沈建华南京邮电大学通信与信息工程学院深圳赛柏特通信技术有限公司

为了有效降低传统流量工程机制中重路由对网络带来的负面影响，本文基于软件定义网络的全局网络视角和管理能力，提出一种利用深度强化学习的改进路由选择算法，以重新路由少量流量达到接近最优的性能。改进算法通过多尺度融合注意力机... 详细信息

为了有效降低传统流量工程机制中重路由对网络带来的负面影响，本文基于软件定义网络的全局网络视角和管理能力，提出一种利用深度强化学习的改进路由选择算法，以重新路由少量流量达到接近最优的性能。改进算法通过多尺度融合注意力机制的神经网络模型来提取流量的特征，并采用集中式训练-分布式执行架构，根据网络状态的观测做出实时决策。理论研究和实验结果表明，与传统深度强化学习算法与启发式算法相比，本文提出的算法在平均负载和端到端延迟性能方面均有显著改进。

关键词：软件定义网络多智能体深度强化学习流量工程负载均衡

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数据中心网络的流量控制:研究现状与趋势

计算机学报 2021年第7期44卷 1287-1309页

作者：杜鑫乐徐恪李彤郑凯付松涛沈蒙清华大学计算机科学与技术系北京100084 北京信息科学与技术国家研究中心北京100084 鹏城实验室广东深圳518000 华为技术有限公司2012实验室北京100085 北京理工大学计算机学院北京100081

作为海量数据快速存储和高效处理强有力的后盾,数据中心成为近年来学术界和工业界关注的热点.传统TCP难以在高吞吐、低时延、无损等方面同时满足当前数据中心传输需求,新的传输技术研究迫在眉睫.本文在对比传统TCP设计目标和数据中心网... 详细信息

作为海量数据快速存储和高效处理强有力的后盾,数据中心成为近年来学术界和工业界关注的热点.传统TCP难以在高吞吐、低时延、无损等方面同时满足当前数据中心传输需求,新的传输技术研究迫在眉睫.本文在对比传统TCP设计目标和数据中心网络中传输目标的基础上,对数据中心流量控制的研究现状展开综述.流量控制是指控制流量的发送速度以及发送规则,本文从基于端到端设计的拥塞控制和基于全局优化的流量工程两个方面对流量控制技术进行介绍,并从控制机制、扩展性、技术可行性等方面对上述技术进行了对比分析.最后本文对数据中心流量控制技术的未来研究趋势进行了总结和展望.

关键词：数据中心流量控制拥塞控制流量工程流量调度负载均衡

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面向时延保障的段路由航点选择算法研究

面向时延保障的段路由航点选择算法研究

作者：赖丽蓉北京邮电大学

学位级别：硕士

段路由(Segment Routing,SR)是一种网络层的流量调度思想,核心在于用分段的路由目标取代源路由中的逐跳的目的标签,这种路径编码的方式可以应用于流量调度、性能测量、故障恢复等多种方向。随着网络业务对时延提出了越来越高的需求,网... 详细信息

段路由(Segment Routing,SR)是一种网络层的流量调度思想,核心在于用分段的路由目标取代源路由中的逐跳的目的标签,这种路径编码的方式可以应用于流量调度、性能测量、故障恢复等多种方向。随着网络业务对时延提出了越来越高的需求,网络需要从各个层面考虑时延保障的效果,诞生于网络层的段路由技术就非常适合用于时延保障。段路由已经广泛应用于网络流量调度。段路由思想下的流量调度方案使用段路由策略指导报文转发,其在数据包层面表现为段路由航点列表,即段路由的任何策略最后都会落实为段路由航点列表。但是目前针对段路由航点列表生成算法的研究目标往往集中在优化带宽使用效率和提高全网吞吐量,导致网络层缺少时延保障的能力。针对这一问题,本文基于段路由的架构和设计思想,分别从集中式控制角度和分布式控制角度提出了两种面向时延保障的段路由航点列表生成算法。首先,本文基于段路由的集中式控制方式提出第一种段路由航点生成算法。该算法通过软件定义网络的全局视角,为每一条链路建立考虑排队时延的链路权重,并在拓扑抽象的基础上进一步通过辅助图对网络拓扑的数据模型进行降维,在降维后的数据模型上应用贝尔曼-福特算法计算段路由航点列表。整个算法以降低段路由流量端到端时延和降低段路由航点列表算法时间复杂度为主要优化目标,最终得出具有时延保障效果的段路由航点列表。然后,本文基于段路由的分布式控制方式提出第二种段路由航点生成算法。该算法首先设计了用于规划段路由节点时延探测的对象的相邻段路由节点发现算法;其次在每个段路由节点上生成差分时延矩阵来记录流量调度目标时延,并设计时延矩阵的更新算法保障网络时延信息可以被全网段路由节点以分布式方法获取并更新到路由节点自身的时延矩阵里;最后设计了段路由航点列表生成算法使段路由入口节点可以独立计算出具有指定时延保障效果的段路由航点列表。最后,本文基于可编程P4软件交换机BMv2实现上述两种算法,并进行组网实验验证。将集中式段路由航点生成算法的对照组设置为仅用带宽计算段路由航点列表的算法,通过实验验证得到:在数据中心网络和运营商网络中使用本文提出的集中式算法调度流量所产生的时延,比对照组分别降低了 8.22%和3.34%;将分布式段路由航点生成算法的对照组设置为分布式最短路径算法,通过实验验证得到:在损失一定网络吞吐量的情况下,在数据中心网络和运营商网络中用本文提出的分布式算法调度流量所产生的时延,比对照组分别降低了 53.3%和65.6%。实验结果表明,基于时延信息进行段路由航点列表的计算可以降低流量端到端时延,为时延敏感业务提供网络层的技术支持。

关键词：软件定义网络段路由流量工程网络时延

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TSN网络下基于网络周期的流调度方法

计算机工程与设计 2023年第11期44卷 3214-3221页

作者：林佳烁王涛王卓薇詹双平成剑广东工业大学自动化学院广东广州510006 广东工业大学计算机学院广东广州510006 鹏城实验室宽带通信研究部广东深圳518055

针对时间敏感网络的流调度问题,提出一种基于网络周期的在线流调度算法。基于网络周期将调度结果分散到各个网络周期中以提高网络的可调度性,增加实时流的调度数量;根据每个网络周期的可调度空间,提出重合度指标及基于该指标的离线调度... 详细信息

针对时间敏感网络的流调度问题,提出一种基于网络周期的在线流调度算法。基于网络周期将调度结果分散到各个网络周期中以提高网络的可调度性,增加实时流的调度数量;根据每个网络周期的可调度空间,提出重合度指标及基于该指标的离线调度算法,使用禁忌搜索算法,提高可调度空间,有利于后续的在线调度过程。实验结果表明,该算法能够有效增加网络的可调度流数量,其在线调度计算时间在毫秒级,满足算法在线运行实时性。

关键词：时间敏感网络确定性网络流量调度网络周期禁忌搜索算法流量工程离线调度

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低成本大规模直播流量工程

清华大学学报（自然科学版） 2024年第3期64卷 591-600页

作者：邰进刘辰屹杨芫王旸旸徐明伟清华大学深圳国际研究生院深圳518055 清华大学计算机科学与技术系北京100084 清华大学网络科学与网络空间研究院北京100084 清华大学北京信息科学与技术国家研究中心北京100084

近年来,基于直播的网络应用大量出现,此类应用对互联网服务质量的要求更严格。目前,虽然一些专用骨干网可以为此类应用提供优质服务,但是服务价格昂贵,且无法覆盖世界各地的所有用户。因此,服务提供商选择依赖Overlay网络或云计算、雾... 详细信息

近年来,基于直播的网络应用大量出现,此类应用对互联网服务质量的要求更严格。目前,虽然一些专用骨干网可以为此类应用提供优质服务,但是服务价格昂贵,且无法覆盖世界各地的所有用户。因此,服务提供商选择依赖Overlay网络或云计算、雾计算和边缘计算等技术提升网络性能,改善用户体验。该文研究了用于大规模直播的Overlay网络中基于成本敏感的流量工程问题。经实际调研可知,成本由服务器的峰值数据速率决定,因此该流量工程问题涉及时间序列的路由决策。首先,将流量工程问题形式化,转化为一系列基于时间序列的整数规划。其次,提出了以可微函数逼近不可微函数的方法,并使用Lagrange乘子法和梯度下降算法有效求解该整数规划。最后,提出基于成本敏感的方案——在线路由算法LiveTE,从运行的Overlay网络收集真实数据,并通过数值模拟评估了LiveTE。结果表明:与现有方案相比,LiveTE的总成本降低幅度达52%,平均传输延时降低幅度达6%以上。

关键词：流量工程 Overlay网络直播流服务

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基于机器学习的SDN流量工程研究综述

计算机应用研究 2022年第4期39卷 961-967,977页

作者：郝学余吕光宏四川大学计算机学院成都610065

随着软件定义网络(SDN)的兴起以及机器学习方法在分类、预测以及控制任务取得的巨大成功,寻找新的流量工程(TE)技术,自适应、动态地管理或路由网络中的流量,保证服务质量(QoS)以及提升用户体验质量(QoE)成为网络研究热点。首先介绍了SD... 详细信息

随着软件定义网络(SDN)的兴起以及机器学习方法在分类、预测以及控制任务取得的巨大成功,寻找新的流量工程(TE)技术,自适应、动态地管理或路由网络中的流量,保证服务质量(QoS)以及提升用户体验质量(QoE)成为网络研究热点。首先介绍了SDN基本架构以及SDN流量工程研究内容及目标;其次分析了监督学习与强化学习在SDN流量工程中的应用,分析已有算法的优劣;最后总结了未来研究方向及挑战。

关键词：软件定义网络流量工程服务质量体验质量监督学习强化学习

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一种基于数据聚合的传感器网络可调模型

计算机学报 2019年第2期42卷 437-452页

作者：马东超孙兴国马礼北方工业大学计算机学院北京100144

该文主要面向上行汇聚流量为主的传感器网络应用场景,针对现有优化方案在灵活性和计算开销等方面的问题进行了分析,包括优化目标单一、节能方法对于多重寿命标准难以适应、计算复杂度与求解近似比难以取舍、环境突变或管理需求的调整无... 详细信息

该文主要面向上行汇聚流量为主的传感器网络应用场景,针对现有优化方案在灵活性和计算开销等方面的问题进行了分析,包括优化目标单一、节能方法对于多重寿命标准难以适应、计算复杂度与求解近似比难以取舍、环境突变或管理需求的调整无法快速响应等等,对当前流行的传感器硬件进行了数据收发的功耗测试后,根据其射频耗能特性,以提高网络可靠性的最小化"最大链路利用率"和单纯功耗优化的最小化"网络连通支配集"为优化目标,引入加权绿色因子,建立了功耗和性能可以调节的模型RES-WSN(Reliability and Energy Steerable WSN).该模型的求解复杂度较低,当网络有数百个节点时,问题依然可以较快求解,为传感器网络提供了一种在能量消耗和可靠性及多重寿命准则间柔性调节的方案.根据该文方案求得的路由关系和数据流传输的分配结果,以"Multiple Instances"的思路和拓展选项的方式在RPL路由协议的基础上给出了部署方案.通过实验验证,该文模型对网络的可靠性的调控比例最高为52.08%,对能量消耗的调控比例最高为60.51%,特别是在仅考虑节能优化且允许部分节点死亡的情况下,网络存活时间相比只考虑可靠性的情况延长了42.54%,与近期相关研究"MinST"模型相比延长了9.23%～15.38%.

关键词：无线传感器网络节能路由协议网络节能优化流量工程网络生命周期

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基于激光星间链路的标签分发协议的优化

基于激光星间链路的标签分发协议的优化

作者：刘奕廷北京邮电大学

学位级别：硕士

随着通信技术的不断发展,基于激光星间链路的卫星通信越来受到重视。基于激光的星间链路通过使用激光通信弥补传统微波技术在卫星通信中的不足,并通过大规模组网来提高星上数据交换能力。由于标签交换技术可以有效提升组网能力,并支持... 详细信息

随着通信技术的不断发展,基于激光星间链路的卫星通信越来受到重视。基于激光的星间链路通过使用激光通信弥补传统微波技术在卫星通信中的不足,并通过大规模组网来提高星上数据交换能力。由于标签交换技术可以有效提升组网能力,并支持流量工程等功能,因此,在卫星光网络环境下构建标签分发系统具有现实意义。本文分析了星间网络的特点,对标签分发协议在卫星光网络环境下的应用进行了研究。标签分发系统中最核心的模块就是信令协议,主要负责LSP(Label Switched Path,标签交换路径)的建立和删除,通过生成标签转发表,提高数据的转发速率。在信令协议中,CR-LDP(Constraint-based Routing Label Distribution Protocol,基于路由受限标签分发协议)在实现LSP建立和删除的功能基础上,通过显示路由以及带宽等参数支持流量工程。因此选择CR-LDP作为信令协议。本文结合了卫星光网络下的特点,设计了标签分发系统,对CR-LDP的消息处理流程和可控性展开研究,主要工作如下:1)在研究CR-LDP的工作机制的基础上,将CR-LDP分成了 LSP建立模块、LSP删除模块、故障处理模块、定时模块和消息处理模块。同时,在不使用TCP协议传输LDP消息的同时,针对星间环境下可能出现单向链路的情况,为LDP消息增添公共头部,用以实现单向链路下LSP的建立。2)在研究CR-LDP快速重路由机制的基础上,针对快速重路由会占用额外的链路带宽并且不能稳定保护的链路的问题,提出了快速重建机制。通过在中断链路两端节点直接重建LSP,不进行LSP的完全重建,减少了丢包率,节省了网络资源。3)为LSP增加生存时间TLV,使业务数据传输完成后,不需要发送标签释放请求,LSP可以自动进行删除,减轻了管理中心的操作负担,减化LSP的删除流程。协议代码在Vxworks操作系统下实现,并通过软硬件测试,验证了设计内容的创新性和适用性,为未来的激光星间链路下大规模组网提供了一些分析和参考。

关键词：激光星间链路标签分发协议流量工程 VxWorks

基于软件定义网络的服务器集群负载均衡技术研究

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电子与信息学报 2018年第12期40卷 3028-3035页

作者：于天放芮兰兰邱雪松北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室北京100876

在当前的网络体系结构下,采用硬件系统实现服务器集群负载均衡存在着获取负载节点状态困难、流量导向方式复杂等制约因素,不利于提升服务器集群的伸缩性和服务性能。针对此问题,该文提出一种基于软件定义网络(SDN)的负载均衡机制(SDNLB... 详细信息

在当前的网络体系结构下,采用硬件系统实现服务器集群负载均衡存在着获取负载节点状态困难、流量导向方式复杂等制约因素,不利于提升服务器集群的伸缩性和服务性能。针对此问题,该文提出一种基于软件定义网络(SDN)的负载均衡机制(SDNLB)。该机制借助SDN具有的集中式控制和流量灵活调度优势,利用SNMP协议和OpenFlow协议对服务器的运行状态和全局网络负载信息进行实时监测,并通过权值计算的方式选择出权重最高的服务器作为流处理的目标服务器,在此基础上,采用最优转发路径算法进行流量调度,从而达到提高服务器集群的利用率与处理性能的目的。搭建了实验平台对SDNLB的性能进行仿真测试,实验结果表明:在相同的网络负载条件下,SDNLB与其他负载均衡算法相比,能够有效地降低服务器集群的负载,并能够显著提高网络吞吐量和带宽利用率,缩短流的完成时间和平均时延。

关键词：软件定义网络 0penFlow服务器集群负载均衡流量工程