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弹性光网络中两种调度问题的建模与算法研究

弹性光网络中两种调度问题的建模与算法研究

作者：纪春霞西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着互联网飞速发展,网络流量呈爆炸式增长。为适应网络流量的增长,提高频谱资源的利用率,弹性光网络(EON)采用了更细粒度、更灵活的频谱分配方式以改善固有光网络中频谱分配方式固定等缺点。因此,如何建立合理的模型、设计高效的算法... 详细信息

随着互联网飞速发展,网络流量呈爆炸式增长。为适应网络流量的增长,提高频谱资源的利用率,弹性光网络(EON)采用了更细粒度、更灵活的频谱分配方式以改善固有光网络中频谱分配方式固定等缺点。因此,如何建立合理的模型、设计高效的算法来解决弹性光网络上负载均衡的路由与频谱分配(RSA)问题成为弹性光网络中至关重要的问题结点。同时,为减少运营商维护硬件的成本,提升网络功能部署的灵活性,网络功能虚拟化(NFV)技术将专属物理设备实现的网络功能映射到数据中心的标准服务器上,实现了虚拟网络功能(VNF)。然而,在弹性光网络中如何确定连接数据中心的网络结点并且合理的部署虚拟网络功能成为拭待解决的问题。因此,本文的主要研究点为:1)解决负载均衡的弹性光网络中的路由与频谱分配问题;2)解决弹性光网络中数据中心放置与虚拟网络功能部署问题。为解决这两个问题,本文所做的创新性工作有:1.研究了负载均衡的弹性光网络中的路由与频谱分配问题。RSA问题是弹性光网络中的基本问题,也是网络其他资源分配的关键问题。本文针对实际应用中需重点考虑的负载均衡问题,建立了以最小化频谱资源消耗与负载因子加权之和为目标的带约束的全局优化模型。对此,设计了求解该问题的通用算法框架(DALB-DDGA):1)采用改进KSP的DALB-KSP算法找出K条备选路径;2)用本文设计的DDGA遗传算法确定路由与频谱分配结果,其中包括新设计的具有较强搜索能力的交叉和变异算子以及采用First Fit策略的频谱分配方法。最后,针对RSA问题的三个衡量指标进行了对比实验,结果表明所提模型和算法可以有效的节约频谱资源。2.研究了弹性光网络中数据中心放置与虚拟网络功能部署问题。为达到节省网络资源开销的目的,建立了以最小化频谱资源消耗、数据中心连接消耗以及VNF部署消耗加权之和为目标的带约束的全局优化模型。针对此类问题设计了通用的算法框架(LLPA-GA):1)采用本文设计的LLPA算法预测数据中心的位置及数量;2)采用基于深度优先的K备选路径算法找出K条备选路径;3)用遗传算法算法确定VNF部署方案与路由频谱分配结果,其中包括了本文设计的VNF部署算法VNFDA。最后,针对该问题的三个衡量指标进行了对比实验,结果表明所提模型和算法可以有效的减少网络资源开销。

关键词：弹性光网络数据中心虚拟网络功能路由与频谱分配遗传算法

NFV环境下VNF资源需求预测与部署方法研究

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NFV环境下VNF资源需求预测与部署方法研究

作者：王怀芹南京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,随着信息技术和网络技术发展,各种移动用户设备数量呈现爆炸式的增加,用户的业务需求也更加多元化,这也推动了网络虚拟化技术的发展。网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)作为能够灵活高效的部署和管理各种网... 详细信息

近年来,随着信息技术和网络技术发展,各种移动用户设备数量呈现爆炸式的增加,用户的业务需求也更加多元化,这也推动了网络虚拟化技术的发展。网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)作为能够灵活高效的部署和管理各种网络功能的技术,可以将网络功能以软件的形式运行在通用服务器上,使得软硬件解耦,提高服务部署的灵活性。尽管NFV具有很多优势,但同时也带来了诸多技术问题和挑战。在服务功能链(Service function chain,SFC)部署时,虚拟网络功能(Virtualized Network Function,VNF)实例使用固定资源实例化,造成资源分配不均。此外在部署SFC时,未充分利用已有VNF实例,且没有对VNF实例部署成本和链路带宽成本进行联合优化,造成资源浪费,导致系统性能下降。本文主要研究在NFV环境下VNF资源需求预测和服务功能链部署问题,实现网络资源的最大利用率,更好的优化网络性能,提高服务质量。主要工作如下:提出了一种特征权重感知的VNF资源需求预测方法(FWP-ECANet)。首先,使用ECANet模块学习VNF特征向量的权重,将得到的VNF特征向量权重与原始的VNF特征向量进行乘积操作,以此来减少无用特征对模型预测结果的消极影响。其次,挖掘特征间深层的交互关系,增强网络负载特征与VNF性能特征之间的交互能力,提高模型预测精度从而提高VNF动态预测资源分配的准确度。最后,实验结果表明,本文提出的VNF资源需求预测方法提高了资源需求预测的准确度。提出了一种基于Dueling DQN的服务功能链部署方法(Dueling QSCD)。该方法首先通过构建一个基于VNF实例共享的SFC部署模型,减少实例的频繁创建和撤销,在保证用户请求的Qo S要求下,联合优化系统运行成本和端到端时延,并将其转化为马尔科夫决策过程模型。其次,在动态网络环境,状态转移概率未知和动作空间维度过大,利用深度强化学习Dueling DQN进行该部署模型的求解,得到最优的动态虚拟网络功能链部署策略。最后,仿真实验表明,本文提出的SFC部署方法部署成本优于对比算法。基于以上理论和方法,本文构建了SFC部署仿真原型系统。通过需求分析、总体设计、详细设计和原型系统展示等步骤,详细介绍了原型系统的实现过程和操作流程,验证所提方法的有效性。综上所述,本文提出的NFV环境下VNF资源需求预测与部署方法能够有效提高网络资源利用率,优化总部署成本。

关键词：网络功能虚拟化服务功能链虚拟网络功能资源分配 Dueling DQN

基于SaltStack的vCPE云端服务部署系统的设计与实现

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基于SaltStack的vCPE云端服务部署系统的设计与实现

作者：殷献勇北京邮电大学

学位级别：硕士

传统用户终端设备(CPE)部署耗时长,网络服务开通流程繁琐,维护成本较高。运营商对解决传统CPE的诸多弊端,降低运营成本需求迫切。网络功能虚拟化(NFV)技术提供了一种软硬件分离的思想促成了虚拟化CPE(vCPE)的出现。进而,基于vCPE的服务... 详细信息

传统用户终端设备(CPE)部署耗时长,网络服务开通流程繁琐,维护成本较高。运营商对解决传统CPE的诸多弊端,降低运营成本需求迫切。网络功能虚拟化(NFV)技术提供了一种软硬件分离的思想促成了虚拟化CPE(vCPE)的出现。进而,基于vCPE的服务部署方式以及服务链的映射成为研究热点之一。本文从NFV技术出发,提出一种服务链映射算法以提高映射效率,并设计和实现一种基于SaltStack的vCPE云端服务部署系统。该系统能够从云端管理vCPE节点的初始化、监控以及服务部署等。论文主要包括两个方面的工作。首先,本文提出一种基于改进的天牛须搜索算法的聚合服务链映射规划方案,通过虚拟网络功能(VNF)类型对服务链进行聚合以降低VNF实例化成本,然后在物理资源和带宽限定的情况下迭代寻找最优的映射方案,以获得较低的映射成本和较小的网络延时。其次,基于所提出算法,本文设计并实现基于SaltStack的vCPE云端服务部署系统,包括节点调试模块、VNF模板配置模块、资源监控及可视化模块、网络拓扑模块和业务编排及智能映射模块。该系统通过调用SaltStack下发指令至节点执行并获取反馈,达到控制和管理节点的目的。实验结果表明,该服务链映射算法能够显著降低映射成本,系统则能够有效完成对于vCPE的管理控制,快速完成节点的网络服务配置和部署,降低运营成本。

关键词：网络功能虚拟化虚拟化用户终端设备 SaltStack 虚拟网络功能

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弹性光网络中虚拟网络服务链部署研究

弹性光网络中虚拟网络服务链部署研究

作者：杨子健深圳大学

学位级别：硕士

随着网络功能虚拟化技术的出现,业界提出利用软件实现的虚拟网络功能(virtual network function,VNF)来替代目前网络中所采用的专有硬件中间件。灵活部署的VNF与弹性光网络结合,可以显著降低网络的运营费用。在本文中,我们以虚拟网络功... 详细信息

随着网络功能虚拟化技术的出现,业界提出利用软件实现的虚拟网络功能(virtual network function,VNF)来替代目前网络中所采用的专有硬件中间件。灵活部署的VNF与弹性光网络结合,可以显著降低网络的运营费用。在本文中,我们以虚拟网络功能服务链作为业务需求,研究弹性光网络中的VNF服务链部署问题。本文首先介绍了弹性光网络和虚拟网络功能服务链部署的研究背景以及研究现状,然后阐述了弹性光网络以及网络功能虚拟化的关键技术。在容量有限的弹性光网络中,本文提出了在弹性光网络中距离自适应调制格式VNF服务链部署的整数线性规划(Integer Linear Programming,ILP)算法来最大化网络吞吐量。仿真结果显示距离自适应调制格式下的VNF服务链部署的吞吐量优于单一调制格式下的VNF服务链部署。在资源充足的弹性光网络中,本文在静态业务场景中进行了VNF服务链部署的能耗研究。本文比较了基于VNF的服务链部署ILP算法和基于专有硬件中间件的服务链部署ILP算法,仿真结果表明基于VNF的服务链部署能耗更低。最后,针对服务链部署的ILP算法高复杂度的问题,提出了一个基于深度强化学习方法的VNF服务链部署方法,仿真结果显示在六节点网络中,基于深度强化学习的部署方法的性能可以达到ILP的90%。本文还在十四节点NSFNET网络中对基于强化学习的部署方法与启发式算法NFF(Nearest Service Function first)的性能进行了比较,仿真结果显示基于强化学习的部署方法的能耗要低于NFF的能耗,并且随着业务数量的增加,前者在能耗方面的优势更加明显。

关键词：弹性光网络虚拟网络功能服务链强化学习

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NFV场景下的服务功能链映射研究

NFV场景下的服务功能链映射研究

作者：马帅西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着移动设备的爆炸式增长以及新型网络技术的出现,传统网络规模日渐庞大,运营商收入却逐渐减少。为此运营商迫切希望在满足用户多样化需求时,可降低网络复杂程度,提升业务部署效率。网络功能虚拟化(Network Function Virtualization)... 详细信息

随着移动设备的爆炸式增长以及新型网络技术的出现,传统网络规模日渐庞大,运营商收入却逐渐减少。为此运营商迫切希望在满足用户多样化需求时,可降低网络复杂程度,提升业务部署效率。网络功能虚拟化(Network Function Virtualization)技术的出现为该问题的解决带来契机,它通过在服务器和交换机等通用硬件上运行特定软件来实现传统的网络功能,以更低的成本构建具有更好可伸缩性、灵活性和适应性的高性能网络。在NFV网络场景中,服务功能链(Service Function Chain,SFC)通过虚拟链路将虚拟网络功能(Virtualized Network Function,VNF)按照业务逻辑所要求的顺序相互连接来描述特定的网络业务。然而,SFC的部署也面临着一些挑战,如何在满足业务需求的情况下实现资源高效分配是SFC部署亟待解决的主要议题之一。论文首先概述本文研究背景与意义,介绍NFV及SFC映射的国内外研究现状。其次,介绍NFV的概念和参考架构,分析NFV与SDN之间的关系,阐述SFC的映射原理,根据分类规则的不同,总结每种SFC映射算法的优缺点,之后描述遗传算法(Genetic Algorithm,GA)的基本原理,并列举GA算法相比于传统算法的优势。本文在总结NFV场景下SFC映射已有研究成果的基础上,根据业务模型的不同,重点研究在线SFC部署和离线SFC部署这两种情景下实现SFC映射的关键技术。针对NFV场景下的在线SFC部署问题,第三章综合考量当前网络特性及业务需求,同时放松业务的时延约束,定义时延罚金,建立SFC映射的整数线性规划(Integer Linear Programming,ILP)模型,提出一种基于混合遗传的服务功能链映射算法(Service Function Chain Mapping Algorithm based on Mixed Genetic Algorithm,SMGA)以求解该模型。所提算法通过遗传算法与基于最优数值计算CPLEX的精确算法的结合,可实现VNF映射和虚拟链路映射两阶段的联合优化。仿真实验表明,与已有算法相比,所提算法在业务接受率、资源利用率和VNF提供商利润等方面都有一定的提升。针对NFV场景下的离线SFC部署问题,第四章考虑VNF类型,同时为了减小底层网络资源碎片化对SFC映射造成的影响,采用底层服务器节点中不同类型资源间可相互转化的机制,建立以最小化资源占用为优化目标的SFC映射ILP模型,提出一种基于资源类型可转化的SFC映射算法(Resource Types Convertible SFC Mapping Algorithm,RTCSMA)以求解所提模型。该算法通过资源转化机制最大化有效复用VNF的个数以完成VNF映射,同时兼顾链路占用带宽和链路介数中心性以实现虚拟链路映射。仿真实验表明,与已有算法相比,所提算法能最大幅度的降低底层物理网络中的资源消耗,减少VNF实例化个数以及底层网络的最大链路占用量。第五章总结本文工作,从网络场景、SFC模型、底层物理网络拓扑、SFC映射优化目标及优化算法五个方面给出了可进一步展开的研究工作。

关键词：服务功能链混合遗传算法整数线性规划网络功能虚拟化资源类型可转化虚拟网络功能

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面向5G网络资源分配的博弈策略研究

面向5G网络资源分配的博弈策略研究

作者：赵文君北京信息科技大学

学位级别：硕士

随着互联网技术的发展,移动终端的普及以及内容多样性的增加,传统网络已经无法满足用户对于网络带宽、传输时延以及能耗等性能的需求。5G网络的出现为解决该问题提供了可行方案。与传统网络相比,5G网络具有低功耗大连接、连续广域覆盖... 详细信息

随着互联网技术的发展,移动终端的普及以及内容多样性的增加,传统网络已经无法满足用户对于网络带宽、传输时延以及能耗等性能的需求。5G网络的出现为解决该问题提供了可行方案。与传统网络相比,5G网络具有低功耗大连接、连续广域覆盖、热点高容量、低时延和高可靠等优点,可以有效解决网络流量剧增而引发的问题。虽然5G网络能够克服传统网络的一些弊端,但是在内容缓存和网络切片的资源分配方面仍然存在诸多问题。本文在5G网络的基础上,通过博弈论方法进一步优化5G网络的内容缓存策略和网络切片的动态部署策略。为了提高5G网络中内容缓存效率并降低网络能耗,本文提出一种基于Stackelberg博弈的5G网络缓存优化策略,将网络运营商和内容提供商建模为一个多主多从的Stackelberg博弈模型。首先,内容提供商从网络运营商处购买基站存储空间,以缓存流行和热门的内容。其次,本文构建博弈双方的策略空间和利润函数,并证明给定一组网络运营商的基站租用价格时,内容提供商之间存在纳什均衡解。最后,本文利用分布式迭代算法对博弈模型进行求解,得到网络运营商的基站最优定价和内容提供商的基站最优租用比例。仿真结果表明,与用户服务质量（Qualityof Service,QoS）优先算法、ProbCache和全局最优算法相比,本文策略可以有效的提高缓存命中率和网络收益,降低网络能耗。为了确保网络切片性能的同时以最低的成本和能耗来动态的部署网络切片,本文提出一种基于非合作博弈的5G网络切片动态部署策略,将网络切片的动态部署问题构建为非合作博弈模型,用于实现网络切片的动态部署。该策略由三部分组成:首先,本文设计Holt-Winters预测算法来预测网络切片的流量率需求,避免网络拓扑的频繁更改。其次,本文提出一种虚拟网络功能（Virtual Network Function,VNF）自适应扩展策略来合理地确定网络切片所需的VNF的数量和大小,以避免网络资源的浪费。最后,本文充分考虑资源容量和网络时延的需求,构建非合作博弈动态部署算法来动态部署网络切片,该算法通过主动在线VNF部署算法和链路路由算法来部署网络切片,以保证网络切片的服务需求。仿真结果表明,本文策略能够有效地提高资源利用率,同时降低网络切片的部署成本和网络能耗。

关键词： 5G网络内容缓存策略 Stackelberg博弈网络切片虚拟网络功能动态部署非合作博弈

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5G环境下网络切片编排技术的研究与仿真

5G环境下网络切片编排技术的研究与仿真

作者：徐一凡南京邮电大学

学位级别：硕士

5G将具更高的用户体验速率、更大的连接容量、极低的端到端时延等关键性,以及多样化的应用场景。5G还将全面提升服务的开放性与创新能力,大幅降低网络建设运营成本。为了满足5G的业务要求,5G网络引入NFV、网络切片等技术来驱动网络架构... 详细信息

5G将具更高的用户体验速率、更大的连接容量、极低的端到端时延等关键性,以及多样化的应用场景。5G还将全面提升服务的开放性与创新能力,大幅降低网络建设运营成本。为了满足5G的业务要求,5G网络引入NFV、网络切片等技术来驱动网络架构的创新。网络切片技术因其配置灵活,资源共享、可扩展性强并支持垂直行业应用等优势,在5G中的作用十分重要。而如何设计与编排网络切片使其具有最优的服务质量和性能,成为当前关于5G网络切片研究的核心与难点。本文对5G环境下网络切片编排技术的研究主要从两个方面展开。其一,如何在接入网中,对接入网切片资源的进行编排管理,而保证网络切片的隔离性以及提高接入网中频谱资源的利用率;其二,如何在核心网中,对核心网中切片所需资源进行合理地编排分配,使核心网切片具有最佳的网络性能、使基础设施资源能够承载更多地网络切片从而提高网络运营商地效益。针对上述问题,本课题根据5G以及未来移动通信网络地发展特点,通过分析上述问题地研究前进和挑战性。最终决定聚焦于5G核心网中网络切片的编排问题的研究。在研究过程中,主要完成了以下工作:首先,进行了5G网络切片的编排方案研究。针对现有研究中地网络切片编排方案的优化目标单一和未考虑切片业务网络性能需求地差异问题,设计了一种新的网络切片映射模型,通过在模型中引入了切片运营成本和根据切片业务类型而变化地网络性能值,从而使生成的网络切片能在符合用户要求的情况下,既能降低网络运营商的运营成本又能够使网络切片具有较优的网络性能。并且,根据该模型的特点设计了一种基于遗传禁忌搜索算法的映射算法来求解。该算法能够根据历史记忆,并行地在底层网络中搜索全局最优的VNF和虚拟链路的映射位置。其次,基于本文设计的网络切片编排方案,结合5G网络切片和NFV MANO架构,设计了一种网络切片编排仿真系统,该系统是对5G网络切片的编排功能的实现。最后,具体实现了上述网络切片编排仿真系统,并通过仿真实验与功能测试,对本文设计的网络切片编排方案及系统的可行性进行了验证。

关键词： 5G 网络功能虚拟化网络切片编排虚拟网络虚拟网络功能遗传算法禁忌搜索算法

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弹性光网络一类调度问题的一个新模型和算法

纯粹数学与应用数学 2022年第3期38卷 415-426页

作者：杨晴东王紫晴郭威王宇平西安电子科技大学计算机科学与技术学院陕西西安710071

采用网络功能虚拟化技术的弹性光网络是一种新型的网络,其数据中心的合理部署,路由的科学规划及频谱的最优分配是一个关键而具有挑战的问题.为了解决这个问题,建立了弹性光网络资源分配和任务调度问题一个新的优化模型,新模型以虚拟网... 详细信息

采用网络功能虚拟化技术的弹性光网络是一种新型的网络,其数据中心的合理部署,路由的科学规划及频谱的最优分配是一个关键而具有挑战的问题.为了解决这个问题,建立了弹性光网络资源分配和任务调度问题一个新的优化模型,新模型以虚拟网络功能在数据中心部署的负载最均衡,经过数据中心节点的路径最短以及频谱占用最少为目标,可同时使虚拟网络功能在数据中心部署,路径规划和频谱分配方案最优.为有效求解该模型,分别设计了一个经过所选数据中心的最短路径策略,虚拟网络功能在数据中心的部署策略以及频谱分配策略,构造了初始种群的产生方法,设计了新的变异算子,在此基础上,提出了求解模型的一个新的进化算法.最后进行了仿真实验,结果表明,最大频隙号和数据中心VNF部署数目的标准差相比对比算法有明显降低,验证了所建模型和算法的有效性.

关键词：弹性光网络数据中心部署虚拟网络功能路由选择频谱分配优化模型进化算法

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基于异构备份与重映射的服务功能链部署方案

网络与信息安全学报 2018年第6期4卷 23-35页

作者：谢记超伊鹏张震张传浩谷允捷国家数字交换系统工程技术研究中心河南郑州450002 铁道警察学院公安技术系河南郑州450053

网络功能虚拟化技术提高了服务功能链部署的灵活性,然而虚拟网络功能面临着不确定失效和恶意攻击问题,现有的冗余备份部署方法能在一定程度上解决虚拟网络功能的失效问题,但未考虑节点同构性在面临恶意攻击时的缺陷。为此提出一种考虑... 详细信息

网络功能虚拟化技术提高了服务功能链部署的灵活性,然而虚拟网络功能面临着不确定失效和恶意攻击问题,现有的冗余备份部署方法能在一定程度上解决虚拟网络功能的失效问题,但未考虑节点同构性在面临恶意攻击时的缺陷。为此提出一种考虑节点异构性的部署方法,在进行冗余备份和重映射时保证节点的异构性。实验表明,相比于同构备份方法,所提方法在请求接受率下降3.8%,带宽消耗增加9.2%的情况下,显著提高了攻击者的攻击时间成本。

关键词：网络功能虚拟化服务功能链虚拟网络功能可靠性备份同构性异构性