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基于深度強化學(xué)習(xí)的服務(wù)功能鏈可靠部署算法

唐倫 曹睿 廖皓 王兆堃

唐倫, 曹睿, 廖皓, 王兆堃. 基于深度強化學(xué)習(xí)的服務(wù)功能鏈可靠部署算法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2020, 42(12): 2931-2938. doi: 10.11999/JEIT190969
引用本文: 唐倫, 曹睿, 廖皓, 王兆堃. 基于深度強化學(xué)習(xí)的服務(wù)功能鏈可靠部署算法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2020, 42(12): 2931-2938. doi: 10.11999/JEIT190969
Lun TANG, Rui CAO, Hao LIAO, Zhaokun WANG. Reliable Deployment Algorithm of Service Function Chain Based on Deep Reinforcement Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(12): 2931-2938. doi: 10.11999/JEIT190969
Citation: Lun TANG, Rui CAO, Hao LIAO, Zhaokun WANG. Reliable Deployment Algorithm of Service Function Chain Based on Deep Reinforcement Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(12): 2931-2938. doi: 10.11999/JEIT190969

基于深度強化學(xué)習(xí)的服務(wù)功能鏈可靠部署算法

doi: 10.11999/JEIT190969
基金項目: 國家自然科學(xué)基金(6157073),重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJZD-M201800601)
詳細信息
    作者簡介:

    唐倫:男,1973年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為新一代無線通信網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)等

    曹睿:男,1994年生,碩士生,研究方向為5G網(wǎng)絡(luò)切片中的資源分配、可靠性

    廖皓:男,1993年生,碩士生,研究方向為5G網(wǎng)絡(luò)故障檢測、自愈合、機器學(xué)習(xí)

    王兆堃:男,1995年生,碩士生,研究方向為5G網(wǎng)絡(luò)故障檢測、自愈合、機器學(xué)習(xí)

    通訊作者:

    曹?!?a href="mailto:1280139234@qq.com">1280139234@qq.com

  • 中圖分類號: TN929.5

Reliable Deployment Algorithm of Service Function Chain Based on Deep Reinforcement Learning

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61571073), The Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (KJZD-M201800601)
  • 摘要:

    針對當(dāng)前關(guān)于服務(wù)功能鏈(SFC)的部署問題都未考慮到虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNF)的失效重要度,該文提出了基于深度強化學(xué)習(xí)的SFC可靠部署算法。首先建立VNF和虛擬鏈路可靠映射模型,為重要的VNF設(shè)置高可靠性需求,并通過鏈路部署長度限制盡可能保證虛擬鏈路可靠性需求。其次,以負載均衡為資源協(xié)調(diào)原則,與VNF可靠性聯(lián)合優(yōu)化,最終使用深度強化學(xué)習(xí)得到服務(wù)功能鏈部署策略。另外,提出了基于重要度的節(jié)點備份和鏈路備份策略,用于應(yīng)對部署過程中VNF/鏈路可靠性難以滿足的情況。仿真結(jié)果表明,該文的可靠部署算法在保證可靠性需求的基礎(chǔ)上能夠有效減少SFC失效損失,同時使虛擬網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定可靠。

  • 圖  1  系統(tǒng)場景圖

    圖  2  深度強化算法示意圖

    圖  3  SFC請求接受率對比

    圖  4  SFC備份消耗對比

    圖  5  SFC失效損失對比

    圖  6  學(xué)習(xí)率對收斂效果的影響

    表  1  基于深度強化學(xué)習(xí)的服務(wù)功能鏈可靠部署算法

     算法1 基于深度強化學(xué)習(xí)的服務(wù)功能鏈可靠部署算法
     經(jīng)驗回放池初始化為空,隨機初始化主網(wǎng)絡(luò)的參數(shù),并復(fù)制給目標(biāo)網(wǎng)絡(luò),探尋環(huán)境信息基于式(6)~式(9)得到${w_I}$,${u'_k}$
     for episode=1, 2, ···, E do
     初始化狀態(tài)為${{{s}}_1} = \{ {{{B}}_{{\rm{left}}}}{{,}}{{{C}}_{{\rm{left}}}}{{,}}{{}_{{\rm{map}}}}{{,}}{{{c}}_{{\rm{map}}}}\} $, ${{}_{{\rm{map}}}}{{,}}{{{c}}_{{\rm{map}}}}$為空
     for t=1,2…D do
     確定可選動作集${N'_{k{n_i}}}$, ${N''_{k{n_i}}}$隨機產(chǎn)生0到1的數(shù)$\tau $
     if $\tau < \varepsilon $:先從${ {{N'} }_{k{n_i} } }$中選擇動作${a_t}$,若為空則根據(jù)算法2在${ {{N''} }_{k{n_i} } }$中選擇${a_t}$,都無動作選擇則${a_t}$為空
     else:依據(jù)主神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估值${\pi ^*}(s) = {{\arg }}\max\limits_{a'} Q({{{s}}_t},{{{a'}}_t})$選取動作。end if
     執(zhí)行動作${{{a}}_t}$,獲得獎勵${r_t}$、下一狀態(tài)${{{s}}_{t + 1}}$,將向量$[{{{s}}_t},{{{a}}_t},{r_t},{{{s}}_{t + 1}}]$放入經(jīng)驗回放池。
     隨機取出小批量樣本向量$[{{{s}}_t},{{{a}}_t},{r_t},{{{s}}_{t + 1}}]$組成樣本向量集${\upsilon _t}$
     for $[{{{s}}_t},{{{a}}_t},{r_t},{{{s}}_{t + 1}}]$ in ${\upsilon _t}$ do
     $L{{(}}\theta {{)}} = {(\tilde Q({{{s}}_t},{{{a}}_t}|{\theta ^ - }) - Q({{{s}}_t},{{{a}}_t}|\theta ))^2}$,$\theta \leftarrow \theta - {\lambda _{{\rm{SGD}}}}\nabla L(\theta )$ end for
     在θ更新T次后將主網(wǎng)絡(luò)參數(shù)復(fù)制給目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。end for end for
     通過主網(wǎng)絡(luò)得到每個VNF的策略${\pi ^*}(s)$
     if累計獎勵$Q({s_t},{a_t}) < - 100$:拒絕該請求
     else if 部署結(jié)果不滿足鏈路可靠性需求:執(zhí)行算法3 end if
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  基于虛擬網(wǎng)絡(luò)功能重要度節(jié)點備份算法

     算法2:基于虛擬網(wǎng)絡(luò)功能重要度的節(jié)點備份算法
     初始化節(jié)點部署方案$g'(v_I^k)$為空
     repeat:
     if ${\omega _I} < 1/D$:搜尋${N''_{k{n_i}}}$已作為備份節(jié)點的節(jié)點集$V_{I'}^k$
     if $V_{I'}^k$非空:$g'(v_I^k)$←從$V_{I'}^k$中尋找備份節(jié)點,從${{{N''}}_{k{n_i}}}/V_{I'}^k$中尋
     找部署節(jié)點
     else:$g'(v_I^k)$←從${N''_{k{n_i}}}$中選出2個節(jié)點??煽啃宰罡叩臑椴渴鸸?jié)
     點,另一備份。endif
     else:$g'(v_I^k)$←從${N''_{k{n_i}}}$中選出2個節(jié)點??煽啃宰罡叩臑椴渴鸸?jié)
     點,另一備份。endif
     until $RN(g'(v_I^k)) > {(R_k^{{\rm{req}}})^{{w_I}}}$or 已遍歷所有組合
     return 節(jié)點部署方案$g'(v_I^k)$
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  3  基于鏈路備份重要度的鏈路備份算法

     算法3:基于鏈路備份重要度的鏈路備份算法
     基于$\gamma _{I,J}^k$對虛擬鏈路鏈路$l_{I,J}^k \in L_v^k$排序
     for 排過序的鏈路鏈路$l_{I,J}^k \in L_v^k$
     if 鏈路可靠性不滿足:
     確定$l_{I,J}^k$映射的段物理起始節(jié)點${n_i}$和終止節(jié)點${n_j}$:${p_{I,J}}$
     $p{{ = \{ }}{\ell _{i,j}}|{L'_{k{l_{i,j}}}}/{p_{I,J}}\} $,部署方案增加鏈路P
     else: break
     end for
     return 部署方案
    下載: 導(dǎo)出CSV
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  • 加載中
圖(6) / 表(3)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-12-03
  • 修回日期:  2020-06-08
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2020-07-11
  • 刊出日期:  2020-12-08

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