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网络切片场景下基于分布式生成对抗网络的服务功能链异常检测

唐伦 王恺 张月 周鑫隆 陈前斌

麻丽香, 王岩飞, 张冰尘, 汪沛. 一种INSAR原始数据的幅相分离压缩算法[J]. 电子与信息学报, 2008, 30(3): 546-549. doi: 10.3724/SP.J.1146.2006.01047
引用本文: 唐伦, 王恺, 张月, 周鑫隆, 陈前斌. 网络切片场景下基于分布式生成对抗网络的服务功能链异常检测[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(1): 262-271. doi: 10.11999/JEIT211261
Ma Li-xiang, Wang Yan-fei, Zhang Bing-chen, Wang Pei. An Irrelevant Amplitude-Phase Algorithm for INSAR Raw Data Compression[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2008, 30(3): 546-549. doi: 10.3724/SP.J.1146.2006.01047
Citation: TANG Lun, WANG Kai, ZHANG Yue, ZHOU Xinlong, CHEN Qianbin. Service Function Chain Anomaly Detection Based on Distributed Generative Adversarial Network in Network Slicing Scenario[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(1): 262-271. doi: 10.11999/JEIT211261

网络切片场景下基于分布式生成对抗网络的服务功能链异常检测

doi: 10.11999/JEIT211261
基金项目: 国家自然科学基金(62071078),重庆市教委科学技术研究项目(KJZD-M201800601),川渝联合实施重点研发项目(2021YFQ0053)
详细信息
    作者简介:

    唐伦:男,教授,博士生导师,研究方向为新一代无线通信网络、异构蜂窝网络、软件定义无线网络等

    王恺:女,硕士生,研究方向为虚拟化网络切片、异常检测等

    张月:女,硕士生,研究方向为5G网络故障检测、机器学习等

    周鑫隆:男,硕士生,研究方向为虚拟化网络切片、流量预测等

    陈前斌:男,教授,博士生导师,研究方向为个人通信、多媒体信息处理与传输、下一代移动通信网络、异构蜂窝网络等

    通讯作者:

    王恺 845787457@qq.com

  • 中图分类号: TN929.5

Service Function Chain Anomaly Detection Based on Distributed Generative Adversarial Network in Network Slicing Scenario

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62071078), The Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (KJZD-M201800601), Sichuan and Chongqing Key R&D Projects (2021YFQ0053)
  • 摘要: 针对网络切片场景中,由于软硬件异常而导致服务功能链(SFC)异常的问题,该文提出一种基于分布式生成对抗网络(GAN)的时间序列异常检测模型(DTSGAN)。首先,为学习SFC中正常数据的特征,提出分布式GAN架构,对SFC中包含的多个虚拟网络功能(VNF)进行异常检测;其次,针对时间序列数据构建一种基于滑动窗口数据特征提取器,通过提取数据的两种衍生特性和8种统计特征以挖掘深层次特征,得到特征序列;最后,为学习并重构数据特征,提出时间卷积网络(TCN)与自动编码器(AE)构建的3层编解码器作为分布式生成器,生成器通过异常得分函数衡量重构数据与输入数据的差异以检测VNF的状态,进而完成SFC的异常检测。在数据集Clearwater上采用准确率、精确率、召回率和F1分数这4个性能指标验证了该文所提模型的有效性和稳定性。
  • 图  1  网络切片管理场景

    图  2  DTSGAN模型架构

    图  3  DTSGAN模型整体流程

    图  4  特征提取步骤

    图  5  损失函数

    图  6  滑动窗口尺寸对性能指标的影响

    图  7  4种方案性能指标对比

    图  8  算法稳定性对比

    算法1 DTSGAN在MANO中的训练
     输入:数据流(Fi,zi),(Fi,ˆzi)
     输出:误差项B1i,B2i,B3i,鉴别器输出D(ˆFi,ˆzi)
     (1) function MANODIS((Fi,zi),(ˆFi,ˆzi),d,k) // 鉴别器D
       练函数
     (2)  for j[1,b] do // 鉴别器D训练轮数为b
     (3)   for i[1,k] do // EMi的个数为k
     (4)    从EMi中获得数据流(Fi,zi),(ˆFi,ˆzi)
     (5)    计算第i个梯度Δwdi
     (6)    if j=d do
     (7)     分别根据式(8)—式(10)计算G1i,G2i, G3i的误差项B1i,
           B2i, B3i
     (8)     将鉴别器结果B1i,B2i,B3i,D(ˆFi,ˆzi)发送至相应的
           EMi
     (9)    end if
     (10)   end for
     (11)   对k个梯度求平均值得到Δwd
     (12)   使用Δwd更新鉴别器D参数wd
     (13)  end for
     (14) end function
    下载: 导出CSV
    算法2 DTSGAN在EMi中的训练
     输入:特征序列Fi,鉴别器反馈B1i,B2i,B3i
     输出:数据流(Fi,zi),(ˆFi,ˆzi)
     (1) function EMGEN(Fi,B1i,B2i,B3i,L) // 生成器Gi训练函数
     (2)  编码器G1i提取潜在表示zi
     (3)  解码器G2i重构特征序列ˆFi
     (4)  编码器G3i重构潜在表示ˆzi
     (5)  将数据流(Fi,zi),(ˆFi,ˆzi)发送至鉴别器D
     (6)  if L1 do // 训练轮数为L
     (7)   从鉴别器D获取误差项B1i,B2i,B3i
     (8)   分别根据式(15)—式(17)计算计算G1i,G2i, G3i的梯度
         Δw1,li, Δw2,li, Δw3,li
     (9)   使用Δw1,li,Δw2,li, Δw3,li更新生成器Gi参数
         w1i,w2i,w3i
     (10)  end if
     (11) end function
    下载: 导出CSV

    表  1  滑动窗口尺寸设置

    1234567
    衍生特性滑动窗口尺寸s2688101414
    统计特征滑动窗口尺寸f224681012
    下载: 导出CSV
  • [1] ESCOLAR A M, CALERO J, and WANG Q. SliceNetVSwitch: Definition, design and implementation of 5G multi-tenant network slicing in software data paths[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2020, 17(4): 2212–2225. doi: 10.1109/TNSM.2020.3029653
    [2] CHERRARED S, IMADALI S, FABRE E, et al. A survey of fault management in network virtualization environments: Challenges and solutions[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2019, 16(4): 1537–1551. doi: 10.1109/TNSM.2019.2948420
    [3] SAUVANAUD C, LAZRI K, KAANICHE M, et al. Anomaly detection and root cause localization in virtual network functions[C]. 2016 IEEE 27th International Symposium on Software Reliability Engineering (ISSRE), Ottawa, Canada, 2016: 196–206.
    [4] COTRONEO D, NATELLA R, and ROSIELLO S. A fault correlation approach to detect performance anomalies in virtual network function chains[C]. 2017 IEEE 28th International Symposium on Software Reliability Engineering (ISSRE), Toulouse, France, 2017: 90–100.
    [5] BLAISE A, WONG S, and AGHVAMI A H. Virtual network function service chaining anomaly detection[C]. 2018 25th International Conference on Telecommunications (ICT), Saint-Malo, France, 2018: 411–415.
    [6] BASHAR M A and NAYAK R. TAnoGAN: Time series anomaly detection with generative adversarial networks[C]. 2020 IEEE Symposium Series on Computational Intelligence (SSCI), Canberra, Australia, 2020: 1778–1785.
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    [8] KINGMA D P and BA L J. Adam: A method for stochastic optimization[C]. International Conference on Learning Representations 2015, San Diego, USA, 2015.
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    [10] BENDRISS J. Cognitive management of SLA in software-based networks[D]. [Ph. D. dissertation], Institut National des Télécommunications, 2018.
    [11] DONAHUE J, KRÄHENBÜHL P, and DARRELL T. Adversarial feature learning[J]. arXiv: 1605.09782, 2016.
    [12] RADFORD A, METZ L, and CHINTALA S. Unsupervised representation learning with deep convolutional generative adversarial networks[J]. arXiv: 1511.06434, 2015.
  • 期刊类型引用(3)

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    2. 袁博. 基于混合像元空间与谱间相关性模型的NMF线性盲解混. 测绘学报. 2019(09): 1151-1160 . 百度学术
    3. 袁博. 空间与谱间相关性分析的NMF高光谱解混. 遥感学报. 2018(02): 265-276 . 百度学术

    其他类型引用(4)

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-12
  • 修回日期:  2022-04-02
  • 网络出版日期:  2022-04-17
  • 刊出日期:  2023-01-17

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