基于双层规划的网络资源划分和路径规划联合优化方法技术

本发明专利技术公开了基于双层规划的网络资源划分和路径规划联合优化方法，涉及计算机网络等领域；首先，针对待测网络，将网络建模成有向图，并记录网络状态信息、网络切片类型信息；然后，设计切片资源划分强化学习算法模型进行网络切片划分；并根据网络信息、切片信息和切片划分比例信息，进行路径规划；基于每种切片的选择路径，结合数据流请求的时延、吞吐量占用和丢包率的需求，制定用户满意度模型和路由策略的联合优化目标；最后，采用针对网络资源和路由联合优化双层模型的迭代计算方法，求解出联合优化目标的最优策略。本发明专利技术最大化网络拓扑利用率的同时提高了通信数据流的满意度。扑利用率的同时提高了通信数据流的满意度。扑利用率的同时提高了通信数据流的满意度。

【技术实现步骤摘要】
基于双层规划的网络资源划分和路径规划联合优化方法


[0001]本专利技术属于计算机网络领域，具体是基于双层规划的网络资源划分和路径规划联合优化方法。

技术介绍

[0002]飞速发展的互联网，已经成为了当今科技领域不可或缺的一部分。伴随着网络技术的发展，各种应用层出不穷，未来的通信网络将服务于各类垂直行业，需要满足各种不同类型的业务需求。同时，不同业务对时延大小、带宽大小和可靠性强弱等QoS需求各不相同，但是都需要在同一种网络架构下共存。针对不同业务的个性化需求，通信网络需要提供更加灵活高效的基于需求的多类型服务。
[0003]网络切片技术是软件定义网络(Software Defined Network，SDN)与网络功能虚拟化(Network Function Virtualization，NFV)两种技术的融合，如图1所示。网络切片包括一组网络资源，它们被部署和配置成一个完整的逻辑网络，满足服务所需的特定网络特性。每个网络切片在逻辑上相互独立，适配各种具有特定需求类型的业务应用。为了满足网络中多样化及差异化的业务需求，需要动态调整网络切片资源，灵活管理网络中的可用资源，在满足业务需求的同时，提高网络资源的利用效率。
[0004]除此之外，网络路由策略仅根据源、目的地址为业务确定转发路径，无法避免拥塞的发生，且选择的路径难以满足业务的实际需求。为了解决此问题，传统QoS路由等技术方案需要获取大量的链路状态信息计算可行路径并维护路由资源；但是，路由策略不会根据实际情况进行优化，使得路由策略的生成与维护存在很大困难。
[0005]近年来机器学习尤其是强化学习的发展为路由策略的生成提供了新的契机，各种基于机器学习的路由算法被提出，以求将网络状态和业务的QoS等各种信息纳入路由决策的范围，从而为多种动态的业务需求制定在线的路由策略。
[0006]尽管这些解决方案提升了网络的性能，但依然面临着许多问题：
[0007]首先，网络切片必须根据业务需求的变化对资源进行重新配置，在传统网络中并不能快速适应网络状态并做出实时决策。
[0008]其次，各种基于机器学习的路由方法在制定路由策略时，仅从满足单个业务需求的角度考虑，对全局网络业务特性考虑不全，无法满足多类型业务的QoS需求，更不能达到自适应保障业务QoS的目标。
[0009]但是实际上，网络的资源划分和业务路由策略的制定是一个有机整体，它们之间相互影响。

技术实现思路

[0010]针对在现有网络拓扑结构下，融合网络管理和网络控制的问题，本专利技术提出基于双层规划的网络资源划分和路径规划联合优化方法，将联合优化场景解构成双层规划模型，利用迭代解决该场景下联合优化问题，并最大化网络拓扑利用率和通信数据流满意度，
能够显式地、合理地协调划分网络资源，同时能优化每种网络资源内部的通信数据流的路由策略。
[0011]所述基于双层规划的网络资源划分和路径规划联合优化方法，具体步骤如下：
[0012]步骤一、获取待测网络的拓扑信息，利用各个链路和转发节点，构建基于SDN的通信网络拓扑有向图；
[0013]链路的属性包括连接链路的两个转发节点、带宽容量和传输速率等；转发节点的属性包括节点的位置等。使用唯一标识符E
i
表示待测网络中的各个链路，使用唯一标识符V
i
表示网络中的转发节点；
[0014]所述通信网络拓扑有向图是指：包括链路集和转发节点集的有向图G＝(V,E)，边E表示网络拓扑中的链路集，点V表示网络拓扑中的转发节点集。e
m
＝(v
i
,v
j
)∈E表示为有向图中节点v
i
和v
j
之间相连，且两个节点所对应的转发节点之间存在通信链路。
[0015]步骤二、根据网络建模、5G网络通信流量特征和QoS量化指标，将待测网络的所有通信流量归类为四种切片类型；
[0016]四种切片类型分别是时延敏感型、带宽敏感型、时延带宽敏感型和时延丢包敏感型切片，每种切片类型中有若干个业务切片，每种切片类型从各自的业务切片中选择最严格的约束条件为该类型的切片类型约束。
[0017]步骤三、针对网络拓扑建模的有向图和划分的切片类型，将待测网络中每条链路的带宽资源，根据业务的需求按照比例划分为四种切片的占用资源。
[0018]每种切片仅占用本切片的带宽资源；其划分方法为：
[0019]第k种切片所占资源表示为：
[0020]b
m
为通信链路的带宽，λ
k
为第k种切片分配的比例；λ
k
∈[0,1]，且K为待测网络中切片的种类。
[0021]步骤四、设计切片资源划分强化学习算法模型，用于对请求通信的数据流按照切片资源进行划分，且计算每种类型切片占用的所有链路的带宽资源。
[0022]所述切片资源划分强化学习算法模型输入的是网络拓扑的有向图和请求通信的流数据，输出每种切片的资源占比。
[0023]具体建模过程如下：
[0024]步骤401，计算第k种切片的第m条链路的带宽利用率为：
[0025]为t时刻链路的带宽使用量：
[0026]表示在t时刻是否有业务流将该链路选中作为其路径的组成部分，若其值为1，则表示是，其值为0表示否。表示t时刻经过链路的业务流的数量；表示t时刻请求在链路上的吞吐量。
[0027]步骤402，统计t时刻第k种切片在每条链路的带宽资源利用率
[0028][0029]其中M为所有链路集合；
[0030]步骤403，计算时间T内所有切片在每条链路的平均带宽资源利用率：
[0031][0032]步骤404，使用平均资源利用率的方差衡量所有切片链路的资源使用率的差异性；
[0033]表示为：
[0034]步骤405，使用资源使用率的差异性计算时间T内所有切片的平均方差：
[0035][0036]步骤406，得到切片资源划分强化学习算法模型的优化目标函数，为各切片合理地分配资源以均匀地提高所有链路的资源利用率；
[0037]优化目标函数表示为：
[0038]步骤五、根据切片资源划分强化学习算法模型和请求通信的数据流的实际带宽资源约束，计算候选路径集
[0039]首先，针对第k种切片，根据源节点v
s
和目的节点v
d
，找到各自的邻居节点v
s'
,v
d'
∈V，组成该切片的逻辑链路，即所有的逻辑链路组成候选路径集
[0040]步骤六、各切片根据带宽资源的约束、网络状态和业务需求，基于路由算法，从候选路径集中选择路径为各自的数据流提供服务；
[0041]步骤七、基于每种切片的选择路径，结合数据流请求的时延、吞吐量占用和丢包率的需求，制定用户满意度模型和路由策略的联合优化目标。
[0042]路由策略本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双层规划的网络资源划分和路径规划联合优化方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、获取待测网络的拓扑信息，利用各个链路和转发节点，构建基于SDN的通信网络拓扑有向图；步骤二、根据网络建模、5G网络通信流量特征和QoS量化指标，将待测网络的所有通信流量归类为四种切片类型；四种切片类型分别是时延敏感型、带宽敏感型、时延带宽敏感型和时延丢包敏感型切片；步骤三、针对网络拓扑建模的有向图和划分的切片类型，将待测网络中每条链路的带宽资源，根据业务的需求按照比例划分为四种切片的占用资源；每种切片仅占用本切片的带宽资源；其划分方法为：第k种切片所占资源表示为：b
m
为通信链路的带宽，λ
k
为第k种切片分配的比例；λ
k
∈[0,1]，且K为待测网络中切片的种类；步骤四、设计切片资源划分强化学习算法模型，用于对请求通信的数据流按照切片资源进行划分，且计算每种类型切片占用的所有链路的带宽资源；具体建模过程如下：步骤401，计算第k种切片的第m条链路的带宽利用率为：的带宽利用率为：为t时刻链路的带宽使用量：的带宽使用量：表示在t时刻是否有业务流将该链路选中作为其路径的组成部分，若其值为1，则表示是，其值为0表示否；表示t时刻经过链路的业务流的数量；表示t时刻请求在链路上的吞吐量；步骤402，统计t时刻第k种切片在每条链路的带宽资源利用率步骤402，统计t时刻第k种切片在每条链路的带宽资源利用率其中M为所有链路集合；步骤403，计算时间T内所有切片在每条链路的平均带宽资源利用率：步骤404，使用平均资源利用率的方差衡量所有切片链路的资源使用率的差异性；表示为：步骤405，使用资源使用率的差异性计算时间T内所有切片的平均方差：
步骤406，得到切片资源划分强化学习算法模型的优化目标函数，为各切片合理地分配资源以均匀地提高所有链路的资源利用率；优化目标函数表示为：步骤五、根据切片资源划分强化学习算法模型和请求通信的数据流的实际带宽资源约束，计算候选路径集步骤六、各切片根据带宽资源的约束、网络状态和业务需求，基于路由算法，从候选路径集中选择路径为各自的数据流提供服务；步骤七、基于每种切片的选择路径，结合数据流请求的时延、吞吐量占用和丢包率的需求，制定用户满意度模型和路由策略的联合优化目标；路由策略的优化目标即为最大化长时间内所有用户满意度，表示为：路由策略的优化目标即为最大化长时间内所有用户满意度，表示为：为第k种切片的选定路径；N为所有选择以为路径的所有的业务集合，γ为固定常数；为满意度模型；表示：β
d
为延迟在满意度模型中的占比权重，β
th
为带宽在满意度模型中的占比权重，β
l
为丢包率在满意度模型中占比权重，为切片类型对应的延迟约束；数据流请求在t时刻对网络在时延，吞吐和丢包率的需求分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：田野，程实，李继同，王文东，阙喜戎，左志川，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：