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虚拟网络功能资源容量自适应调整方法

袁泉 游伟 季新生 汤红波

袁泉, 游伟, 季新生, 汤红波. 虚拟网络功能资源容量自适应调整方法[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(7): 1841-1848. doi: 10.11999/JET200110
引用本文: 袁泉, 游伟, 季新生, 汤红波. 虚拟网络功能资源容量自适应调整方法[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(7): 1841-1848. doi: 10.11999/JET200110
Quan YUAN, Wei YOU, Xinsheng JI, Hongbo TANG. Adaptive Scaling of Virtualized Network Function Resource Capacity[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(7): 1841-1848. doi: 10.11999/JET200110
Citation: Quan YUAN, Wei YOU, Xinsheng JI, Hongbo TANG. Adaptive Scaling of Virtualized Network Function Resource Capacity[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(7): 1841-1848. doi: 10.11999/JET200110

虚拟网络功能资源容量自适应调整方法

doi: 10.11999/JET200110
基金项目: 国家自然科学基金(61801515),国家自然科学基金创新群体项目(61521003)
详细信息
    作者简介:

    袁泉:男,1991年生,博士生,研究方向为移动核心网体系架构、网络功能虚拟化

    游伟:男,1984年生,讲师,研究方向为密码学、5G网络安全

    季新生:男,1968年生,教授、博士生导师,研究方向为5G网络安全、移动通信网络体系架构

    汤红波:男,1968年生,教授、博士生导师,研究方向为5G网络安全、移动通信网络体系架构

    通讯作者:

    袁泉 b101180153@smail.nju.edu.cn

  • 中图分类号: TN915; TP393

Adaptive Scaling of Virtualized Network Function Resource Capacity

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61801515), The National Natural Science Foundation Innovative Groups Project of China (61521003)
  • 摘要: 为了实现网络功能虚拟化平台中物理资源的动态按需分配,该文提出一种虚拟网络功能资源容量自适应调整方法。该方法首先利用长短期记忆网络预测平台流量的变化趋势,然后结合流量预测结果设计了一种基于多层前馈神经网络的虚拟网络功能资源需求预测方法,最后根据资源需求预测结果,设计了一种基于动态编码遗传算法的虚拟网络功能动态部署方法,实现虚拟网络功能资源容量的自适应调整。实验结果表明,与现有的资源容量调整方法相比,该文提出的资源容量自适应调整方法能够降低流量预测误差对资源需求预测结果的影响,降低资源需求预测的相对误差,减少虚拟网络功能实例占用的服务器数量。
  • 图  1  服务功能链模型和VNF资源容量调整

    图  2  LSTM循环网络“细胞”框架

    图  3  多层前馈神经网络结构

    图  4  数据集流量

    图  5  流量预测结果

    图  6  微小规格VNF实例预测误差

    图  7  小规格VNF实例预测误差

    图  9  大规格VNF实例预测误差

    图  8  中规格VNF实例预测误差

    图  10  累计服务器占用数量对比

    图  11  算法CPU运行时间对比

    表  1  $t$时刻资源需求预测特征提取

    特征参数意义
    ${{L}}(t)$历史流量向量,包含$t - i$时刻到$t$时刻的实测流量数据${{L}}(t) = \{ l(t - i), ··· ,l(t)\} $
    $p(t + 1)$$t + 1$时刻的流量预测数据
    ${\rm{ServerID}}$当前流量流经的接入网关服务器序号,用于区分
    ${{R}}(t)$历史资源需求向量,包含$t$时刻的资源需求数据${{R}}(t) = \{ {r_1}(t), ··· ,{r_j}(t), ··· ,{r_m}(t)\} $,其中任意元素${r_j}(t)$表示$t$时刻平台实例化第$j$种规格VNF的数量
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    表  2  VNF动态部署算法(DG Alg.)

     输入:$t$时刻资源容量需求向量${ {{{R}}} }(t)$;服务器资源容量矩阵${ {{{C}}} }(t)$;
        服务器邻接矩阵${ {{{E}}} }(t)$
     输出:最优VNF部署决策矩阵${ { {{{X}}} }^*}(t)$
     (1) 初始化遗传算法参数:种群规模${\rm{NIND}}$,最大遗传代数
       ${\rm{MAXGEN}}$,交叉和变异概率${P_x}$, ${P_m}$
     (2) 计算$t$时刻染色体上的基因数目${N_g}(t) = \displaystyle\sum\nolimits_{i = 1}^m { {r_i}(t)}$
     (3) 随机初始化种群中的每个染色体,每个基因位的进制设为服
       务器数量$n$
     (4) for $i = 1:{\rm{NIND}}$
     (5) 根据${ {{{R}}} }(t)$分段统计各基因位的服务器序号,计算染色体$n$对
       应的VNF部署决策变量${{{X}}_i}(t)$
     (6) if ${{{X}}_i}(t)$满足约束条件式(2)-式(5)do
     (7) 根据式(1)计算当前染色体的适应度
     (8) else
     (9) 当前染色体对应的部署策略无法完成部署,适应度为惩罚值
       ${N_p}$
     (10) end if
     (11) end for
     (12) for ${\rm{gen = }}1:{\rm{MAXGEN}}$
     (13) 根据适应度计算染色体参与遗传的优先级,以概率${P_x}$对候
       选染色体上基因进行交叉遗传
     (14) 按照概率${P_m}$选择染色体上任意基因进行变异操作
     (15) 获取子代种群,重复步骤(4)—步骤(11),计算子代种群各
       个染色体的适应度
     (16) 用子代中适应度高的染色体替换父代中适应度低的染色
       体,形成新的种群
     (17) end for
     (18) 保留最终代中最优染色体,返回其对应的VNF部署决策变
       量${ { {{{X}}} }^*}(t)$
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    表  3  服务器参数

    型号CPU内存(GB)硬盘(TB)
    高配28 CPUs x Intel(R) Xeon(R)
    CPU E5-2660 v4 @ 2.00GHz
    12814
    低配20 CPUs x Intel(R) Xeon(R)
    CPU E5-2630 v4 @ 2.20GHz
    6414
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    表  4  虚拟机规格参数

    规格VCPU(个)内存(GB)硬盘(GB)
    微小1120
    2250
    44200
    48500
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-17
  • 修回日期:  2020-10-05
  • 网络出版日期:  2020-12-14
  • 刊出日期:  2021-07-10

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