基于强化学习的SDN多级虚拟网络映射研究

发布时间：2020-07-03 17:32

【摘要】：随着云计算、物联网、5G的迅猛发展,传统架构的网络越来越难以部署新的网络技术和网络协议。软件定义网络和网络虚拟化技术的结合,被认为是克服当前网络僵化问题和促进未来网络创新的有效途径。网络虚拟化将虚拟化思想引入网络,允许在同一个物理网络上构建和运行多个虚拟网络。实现网络虚拟化的核心在于将基于软件的虚拟网络与基于硬件的物理网络进行解耦合,所以在软件定义网络架构的网络中更容易实现网络虚拟化。虚拟网络映射是网络虚拟化面临的一个关键问题,研究底层网络应该如何为多个带有拓扑和资源约束条件的虚拟网络请求分配资源。随着软件定义网络架构在大型数据中心网络和广域网中的部署,以及内部呈现层次型结构的大型租户的出现,为租户提供多层次封装的虚拟网络服务成为一种新的需求和可能。因此,虚拟网络映射算法需要足够灵活,既要实现底层虚拟网络请求到物理网络的映射,也要实现上层虚拟网络请求到其底层虚拟网络的映射。针对上述问题,本文提出了一种基于强化学习的SDN多级动态协同虚拟网络映射算法。该算法采用两步映射思路,无论是处理底层虚拟网络请求还是上层虚拟网络请求,都先进行所有虚拟节点的映射,然后才进行虚拟链路的映射。此外,为了提高算法的灵活性,本文在虚拟节点映射阶段引入了一个强化学习模型MLRL-Model,在求解每个虚拟网络请求的节点映射方案之前都会先对该模型进行训练,以实现映射策略的实时更新,从而克服现有方法在整个映射过程中策略单一、缺乏灵活性的问题。虽然物理网络拓扑和总的资源是静态不变的,但是底层虚拟网络的映射方案则是可以动态调整的,所以当一个已经被物理网络成功接受的虚拟网络无法满足其上层虚拟网络请求的映射需求时,通过调整底层虚拟网络的映射方案可以使得这些上层虚拟网络请求被成功接受。因此,为了尽可能地提高底层虚拟网络对上层虚拟网络请求的接受能力,同时最大化地减少对当前网络虚拟化环境的影响,本文进一步提出一种动态协同物理网络和底层虚拟网络资源的映射机制,遵循以增加底层虚拟网络资源和迁移部分底层虚拟节点和链路为主、重映射整个底层虚拟网络为辅的原则。仿真实验表明,本文算法不仅在单级映射场景中拥有较高的映射性能,使得底层物理网络拥有较高的请求接受率、平均节点和链路资源利用率,而且提高了多级映射场景中底层虚拟网络对上层虚拟网络请求的接受能力,提高了网络虚拟化环境内整体的请求接受率。本文首先分析了SDN技术与虚拟网络映射问题的研究现状并指出了现有算法存在的问题,然后定义了SDN多级虚拟网络映射问题并详细阐述了本文提出了的多级动态虚拟网络映射算法,最后介绍了实验仿真的设计与实现以及算法的性能评估。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP393.01
【图文】：

网络资源,架构,基础设施,应用层

逑图２－丨ＳＤＮ架构Ｐ１】逡逑从图２－１可以看出，ＳＤＮ控制器是整个ＳＤＮ架构的核心，不仅需要抽象数逡逑据转发层的网络资源和网络拓扑，还需要根据应用层的业务需求对基础设施层的逡逑网络资源进行调用和控制。基础设施层通过标准的南向接口与控制层进行通信，逡逑而应用层则通过开放可编程的北向接口与控制层进行通信，所以ＳＤＮ架构大大逡逑简化了网络设备的复杂度，它们不再需要适配和处理成千上万的协议，而仅需要逡逑基于ＳＤＮ控制器下发的流表即可实现数据的转发和处理。逡逑应用层主要包括了各种业务应用，网络管理者可以基于ＳＤＮ控制器提供的逡逑网络服务编程实现对基础设施层中网络设备的集中配置、控制和管理，从而加快逡逑网络业务的部署，促进网络创新。逡逑２．１．３邋ＳＤＮ与网络虚拟化逡逑网络虚拟化技术的出现使得在不改变底层物理网络架构的前提下

实例图,虚拟网络,实例,底层

其中ｉ＾ｃｚ尸，是底层网络中所有无环路径的逡逑集合。逡逑图２－２为一个虚拟网络映射实例，描述了一个包含３个节点的虚拟网络请求逡逑在包含５个节点的底层网络上的映射过程。图中正方形和圆形上的数字分别表示逡逑虚拟节点请求的资源以及底层物理节点的可用资源，连边上的数字则表示底层链逡逑路的可用资源或虚拟链路请求的资源。其中：逡逑虚拟节点的映射方案为：逡逑｛ａ」＞■邋Ａ，ｂ邋４邋Ｂ，ｃ」＞■邋Ｄ｝逦（２－２）逡逑虚拟链路的映射方案为：逡逑｛（ａ，ｂ）逦｛Ａ，ＢＵａ，ｃ）邋－＞邋（Ａ，Ｅ，Ｄ），（ｂ，ｃ）邋＾逦（２－３）逡逑５逡逑１０／邋ａ邋＼１Ｑ逦２５逡逑１５逦１５逦３0逡逑图２－２虚拟网络映射实例逡逑８逡逑

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