基于軟件定義網(wǎng)絡(luò )的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制論文

　　針對軟件定義網(wǎng)絡(luò )(SDN)環(huán)境下的媒體分發(fā)計算機網(wǎng)絡(luò )的接入控制問(wèn)題，提出了一種綜合考慮服務(wù)節點(diǎn)和傳輸鏈路服務(wù)性能優(yōu)化問(wèn)題的接入控制方案。該方案利用SDN控制器對路由器的直接管控和對全網(wǎng)的感知能力，對應用層上服務(wù)節點(diǎn)服務(wù)性能和網(wǎng)絡(luò )層上服務(wù)節點(diǎn)到用戶(hù)之間的傳輸鏈路的服務(wù)性能進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，減少了鏈路擁塞對數據傳輸和用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的影響。首先，為SDN服務(wù)系統的接入控制過(guò)程建立部分可觀(guān)Markov決策過(guò)程(POMDP)模型;然后，使用基于觀(guān)測的隨機策略作為系統的接入控制策略;最后，通過(guò)策略梯度算法對接入控制策略進(jìn)行優(yōu)化，求解出模型的最優(yōu)策略。仿真結果表明，與盡力而為的服務(wù)策略相比，基于POMDP模型的最優(yōu)接入控制策略使系統性能提高了10%，驗證了所提方法的有效性。

　　0引言

　　采用媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的視頻接入系統對傳輸時(shí)延和帶寬具有高度靈敏性，許多工作致力于研究如何提高該類(lèi)系統的性能和媒體分發(fā)的效率。接入控制在資源有限情況下對于提高系統資源利用率、提供服務(wù)質(zhì)量保障非常重要[1]。選擇一個(gè)好的接入控制策略可以保證在資源有限情況下，最大化系統資源利用率;同時(shí)顯著(zhù)地減少相應延遲，讓更多的用戶(hù)享受到高質(zhì)量的服務(wù)[2]。

　　研究傳統媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制問(wèn)題時(shí)，主要利用可獲取得到的服務(wù)節點(diǎn)的容量和負載等信息，來(lái)制定接入控制方案，即主要考慮應用層上服務(wù)節點(diǎn)的服務(wù)能力存在瓶頸，通過(guò)尋找最優(yōu)策略來(lái)優(yōu)化節點(diǎn)的服務(wù)性能，從而提高系統資源利用率和用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量。目前，關(guān)于傳統媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制問(wèn)題的研究有很多，基于閾值的接入控制方法由于結構簡(jiǎn)單且易于實(shí)現，已經(jīng)被廣泛應用[3]，其中幾種基礎的基于簡(jiǎn)單結構的閾值策略有完全共享策略[4-5]、完全區分策略[6-7]、資源預留策略[8-9]、自適應閾值策略[10]等。相對于基于閾值的接入控制方法，基于隨機優(yōu)化的接入控制著(zhù)重于通過(guò)隨機模型來(lái)描述系統狀態(tài)在網(wǎng)絡(luò )系統接入控制過(guò)程中的動(dòng)態(tài)演化，并通過(guò)策略?xún)?yōu)化算法對系統接入控制進(jìn)行優(yōu)化。文獻[11]為資源共享系統設計了一種基于Markov決策過(guò)程(Markov Decision Process， MDP)模型的接入控制方案，用于分析和求解具有多個(gè)級別服務(wù)的系統的接入控制策略�；�于隨機優(yōu)化的方法在對網(wǎng)絡(luò )系統接入控制過(guò)程的描述上更為準確，并且得到的接入控制策略也更為精細。

　　在傳統的網(wǎng)絡(luò )中，在網(wǎng)絡(luò )層上采用盡力而為的服務(wù)方式，沒(méi)有考慮不穩定的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò )擁塞對視頻傳輸質(zhì)量以及用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量造成的影響[12]。軟件定義網(wǎng)絡(luò )(Software Defined Network， SDN)作為一種可以克服上述缺陷的新型網(wǎng)絡(luò )系統架構，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。SDN將網(wǎng)絡(luò )控制平面從傳統的分布式網(wǎng)絡(luò )設備中獨立出來(lái)，使得網(wǎng)絡(luò )管理員能夠通過(guò)在控制器上編制軟件來(lái)靈活地控制和部署網(wǎng)絡(luò )功能，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )的可編程性。在基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )中，可以通過(guò)SDN控制器來(lái)控制網(wǎng)絡(luò )層視頻流的路徑選擇，從而降低視頻傳輸時(shí)延，提高服務(wù)質(zhì)量[13]。文獻[14]提出一種基于SDN的內容分發(fā)方案，該方案采用基于名稱(chēng)的路由和緩存技術(shù)來(lái)進(jìn)行流量管理，并根據網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)動(dòng)態(tài)選擇、修改內容傳輸路徑，從而提高內容分發(fā)效率。文獻[15]為視頻供應商提出一種采用OpenFlow組播技術(shù)的內容分發(fā)方案，該方案根據當前網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)動(dòng)態(tài)地重構組播樹(shù)，并通過(guò)修剪擁塞鏈路對應的組播樹(shù)分支，來(lái)有效地減少網(wǎng)絡(luò )資源浪費。然而上述已有文獻并沒(méi)有對此類(lèi)系統的接入控制問(wèn)題進(jìn)行探討，為了進(jìn)一步提高系統資源利用率和用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量，本文對基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制問(wèn)題進(jìn)行研究。而傳統媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制方案只在應用層上考慮優(yōu)化服務(wù)節點(diǎn)服務(wù)性能，而沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò )層上傳輸鏈路的優(yōu)化問(wèn)題，因此，在研究基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制問(wèn)題時(shí)，采用上述方法已經(jīng)不合時(shí)宜。

　　本文認為在研究基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制問(wèn)題時(shí)，應該充分利用SDN系統架構的優(yōu)勢和特點(diǎn)，不僅要考慮應用層上服務(wù)節點(diǎn)存在性能瓶頸;同時(shí)還應該考慮網(wǎng)絡(luò )層上鏈路擁塞對數據傳輸質(zhì)量和用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量造成的影響。為此，利用SDN控制器對網(wǎng)絡(luò )的管理和控制能力，在獲取服務(wù)節點(diǎn)的資源分配和服務(wù)狀況信息的同時(shí)，獲取網(wǎng)絡(luò )中數據傳輸路徑上的資源使用情況(如可用服務(wù)帶寬等)，為基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )系統提出了一種綜合考慮應用層和網(wǎng)絡(luò )層優(yōu)化問(wèn)題的接入控制方法。該接入控制方法一方面優(yōu)化應用層上服務(wù)節點(diǎn)的服務(wù)性能;另一方面優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )層上傳輸鏈路的服務(wù)性能，在有效利用系統資源的同時(shí)，提高了系統性能。此外，在傳統的接入控制方案中，決策時(shí)僅考慮是否接入，接入后的節點(diǎn)選擇依賴(lài)于源選擇策略，如Benchmark策略等[16]，本文在構建系統模型時(shí)，將節點(diǎn)選擇和鏈路選擇融合到行動(dòng)空間中，通過(guò)策略梯度優(yōu)化算法，求解出使得系統性能達到最優(yōu)的接入控制策略。

　　1基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )

　　首先介紹基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的基本組成部分、相應的功能和相互之間的協(xié)作關(guān)系，在此基礎上再討論該系統的接入控制過(guò)程。

　　圖1給出了基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的系統架構。與傳統媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )相比，基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )通過(guò)運行在高性能服務(wù)器上的SDN控制器加強了對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的控制和管理，其中SDN控制器可以查看整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)信息，克服了傳統媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )中邊緣服務(wù)節點(diǎn)的局限性，因此基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )可以更好地進(jìn)行全局優(yōu)化，如流量工程、負載均衡等，并且集中式的管理框架使得管理大大簡(jiǎn)化。其次，在SDN中無(wú)需在網(wǎng)絡(luò )邊緣部署昂貴的邊緣代理服務(wù)器，取而代之的是以分布式部署的可編程存儲路由器，其中的可編程存儲路由器是帶有存儲功能的，并以OpenFlow協(xié)議運行的路由器，由SDN控制器控制和配置。用戶(hù)無(wú)需向距離較遠的邊緣服務(wù)器請求資源，SDN方案允許用戶(hù)向距離更近的可編程存儲路由器獲取請求資源，這可以顯著(zhù)縮短資源傳輸距離，減少網(wǎng)絡(luò )故障等不穩定因素的影響，從而提高視頻服務(wù)質(zhì)量和用戶(hù)體驗質(zhì)量。流媒體服務(wù)器主要負責新資源的分發(fā)，可編程存儲路由器在SDN控制器的作用下，周期地請求和接受來(lái)自源服務(wù)器的新資源。

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　　圖1基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )

　　當系統中某個(gè)服務(wù)節點(diǎn)接收到一個(gè)來(lái)自用戶(hù)的服務(wù)請求后，該系統的接入控制過(guò)程就開(kāi)始了，圖2給出了這個(gè)接入控制過(guò)程的控制結構。首先，用戶(hù)向網(wǎng)絡(luò )邊緣的服務(wù)節點(diǎn)i發(fā)送關(guān)于資源k的服務(wù)請求，本地服務(wù)節點(diǎn)i將該服務(wù)請求轉發(fā)給區域SDN控制器，該控制器會(huì )根據請求類(lèi)型、系統狀態(tài)和接入控制策略決定是否接入此請求。如果決策結果是接入請求，控制器一方面會(huì )根據本地服務(wù)節點(diǎn)i和部分其他服務(wù)節點(diǎn)的服務(wù)狀態(tài)和資源分配情況，決定是由本地節點(diǎn)直接向用戶(hù)提供服務(wù)，或是向其他服務(wù)節點(diǎn)j發(fā)送資源k的數據調度請求，數據調度的目的是由其他服務(wù)節點(diǎn)向本地節點(diǎn)i推送所需資源k;另一方面根據本地節點(diǎn)i到用戶(hù)之間各條鏈路上的服務(wù)資源和負載情況，選擇本地節點(diǎn)i下的一條鏈路完成到用戶(hù)的資源傳輸。

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　　圖2一個(gè)服務(wù)節點(diǎn)處的接入控制過(guò)程

　　當一個(gè)服務(wù)節點(diǎn)收到來(lái)自其他節點(diǎn)的數據調度請求后，不必對其是否接入進(jìn)行決策，而是需要直接為該請求提供服務(wù)。然而，如果此服務(wù)節點(diǎn)處沒(méi)有足夠資源為這個(gè)請求提供服務(wù)時(shí)，為了保證正在被服務(wù)的其他用戶(hù)請求的服務(wù)質(zhì)量，服務(wù)節點(diǎn)會(huì )放棄為這個(gè)請求提供服務(wù)。同樣在選擇傳輸鏈路時(shí)，如果鏈路服務(wù)能力達到上限，為了保證其他正在接收資源的用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量，傳輸鏈路會(huì )拒絕進(jìn)行該數據傳輸。當一個(gè)請求所需的服務(wù)完成時(shí)，此請求所占用的系統資源也會(huì )隨之釋放;同時(shí)考慮到該系統中服務(wù)節點(diǎn)是可編程存儲路由器，其存儲空間有限，為了滿(mǎn)足不同用戶(hù)的不同資源請求，可以假設本地節點(diǎn)接收到的來(lái)自其他節點(diǎn)推送的資源，在服務(wù)完成用戶(hù)請求后會(huì )被釋放，即節點(diǎn)存儲矩陣在系統更新資源前保持不變。

　　2基于POMDP的接入控制模型

　　MDP常用于解決接入控制問(wèn)題，但MDP方法面臨著(zhù)狀態(tài)空間過(guò)大導致的維數災問(wèn)題[17]，由MDP擴展的部分可觀(guān)Markov決策過(guò)程(Partially Observable Markov Decision Process， POMDP)可以基于觀(guān)測采取決策，能夠有效地解決MDP維數災問(wèn)題，因此，本文通過(guò)POMDP對基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制進(jìn)行建模，并通過(guò)策略梯度優(yōu)化算法求解最優(yōu)接入策略。

　　在研究基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制問(wèn)題時(shí)，可以作如下假設：根據視頻源服務(wù)器更新可編程存儲路由器中存儲資源的時(shí)間間隔較長(cháng)，可以假設服務(wù)節點(diǎn)的存儲信息不變，即存儲矩陣不變;不同服務(wù)節點(diǎn)可以提供的服務(wù)種類(lèi)是不一樣的;由于SDN控制器對網(wǎng)絡(luò )具有集中管控能力，可以為用戶(hù)選擇最短路徑來(lái)傳輸資源，因此可以假設每個(gè)用戶(hù)都是通過(guò)最短路徑向服務(wù)節點(diǎn)發(fā)送資源請求;當收到用戶(hù)請求的服務(wù)節點(diǎn)即本地服務(wù)節點(diǎn)沒(méi)有請求所需的資源時(shí)，需要通過(guò)數據調度從別的服務(wù)節點(diǎn)將所需資源推送到本地節點(diǎn)，再由本地節點(diǎn)向用戶(hù)提供服務(wù);用戶(hù)只能通過(guò)本地節點(diǎn)下的鏈路接收資源，這是因為在實(shí)際系統中，服務(wù)節點(diǎn)無(wú)法直接向所有用戶(hù)提供服務(wù)。

　　為了充分利用SDN控制器對路由器的直接管控和全網(wǎng)感知能力，本文在對系統進(jìn)行POMDP建模時(shí)綜合考慮了服務(wù)節點(diǎn)和傳輸鏈路的性能優(yōu)化問(wèn)題。以服務(wù)用戶(hù)數作為系統狀態(tài)參數來(lái)反映服務(wù)節點(diǎn)和傳輸鏈路的負載，以節點(diǎn)選擇和鏈路選擇作為決策行動(dòng)，并定義用戶(hù)的請求到達和服務(wù)完成作為觀(guān)測事件，進(jìn)而可以計算出狀態(tài)之間的轉移概率和產(chǎn)生觀(guān)測的概率，在模型構建完成后，通過(guò)策略梯度算法對接入控制策略進(jìn)行優(yōu)化。由于以系統長(cháng)期運行得到的平均報酬作為衡量系統性能的準則，從而求解出的最優(yōu)策略可以提高系統運營(yíng)收益，對服務(wù)節點(diǎn)性能優(yōu)化的同時(shí)，通過(guò)為用戶(hù)選擇傳輸鏈路，減少了鏈路擁塞對數據傳輸質(zhì)量和用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量造成的影響，并改善用戶(hù)的服務(wù)體驗，減少系統資源的浪費。

　　在對基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制建模之前，首先給出系統的一些主要參數及描述。在基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )中，用戶(hù)可以請求的資源種類(lèi)數為K，K種資源存儲在N個(gè)可編程存儲路由器中，即系統中服務(wù)節點(diǎn)數為N;用Vi表示節點(diǎn)i處的服務(wù)連接數上限，當節點(diǎn)i的服務(wù)連接數等于Vi時(shí)，拒絕其他接入的請求;Li表示服務(wù)節點(diǎn)i下向用戶(hù)進(jìn)行資源傳輸的鏈路數，所有服務(wù)節點(diǎn)到用戶(hù)之間用于資源傳輸的鏈路數總數為L(cháng)，滿(mǎn)足L=L1∪L2∪…∪LN;用Bli表示節點(diǎn)i下鏈路l上可用于資源傳輸的服務(wù)帶寬上限，當該鏈路上已消耗的服務(wù)帶寬等于Bli時(shí)，拒絕其他的資源傳輸請求;bk表示向用戶(hù)提供第k種資源服務(wù)所消耗的服務(wù)帶寬;假設用戶(hù)請求到達服從泊松分布，用λilik表示節點(diǎn)i收到來(lái)自鏈路li關(guān)于資源k的請求到達率;假設用戶(hù)服務(wù)時(shí)間服從指數分布，用μk表示關(guān)于資源k的服務(wù)率。

　　根據上述討論與假設，接入控制的POMDP模型可以描述如下。

　　2.1狀態(tài)空間

　　2.2觀(guān)測空間

　　2.4狀態(tài)轉移概率

　　3優(yōu)化算法與仿真

　　3.1梯度優(yōu)化算法

　　3.2仿真實(shí)例

　　假設一個(gè)基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )系統可以向用戶(hù)提供4種資源服務(wù)，并存儲在3個(gè)可編程存儲路由器中，即該系統中服務(wù)節點(diǎn)數為3，并假設每個(gè)服務(wù)節點(diǎn)下各有3條鏈路可以進(jìn)行資源傳輸，資源在各個(gè)節點(diǎn)的分布情況由存儲矩陣D決定，下面給出系統仿真參數取值，如表1所示。

　　在仿真優(yōu)化初始階段，由于系統資源消耗較少，本文選擇盡力而為的服務(wù)策略作為起始策略，該策略一方面使服務(wù)節點(diǎn)盡可能大地接入用戶(hù)的資源請求;另一方面，選擇最短傳輸鏈路作為服務(wù)節點(diǎn)向用戶(hù)推送資源的路徑選擇策略。起始策略在系統負載較低的情況下，可以為用戶(hù)提供良好的服務(wù)質(zhì)量，但隨著(zhù)系統內服務(wù)用戶(hù)數的增加，由于沒(méi)有考慮節點(diǎn)和傳輸鏈路的負載情況以及對用戶(hù)造成的服務(wù)延時(shí)，會(huì )導致系統整體負擔較大，在極大浪費系統資源的同時(shí)，使用戶(hù)得到較差的體驗質(zhì)量。

　　在選定初始策略的基礎上，使用策略梯度優(yōu)化算法進(jìn)行策略迭代，由于選取系統長(cháng)期運行得到的平均報酬作為系統性能測度，優(yōu)化目標是求出最優(yōu)策略使其最大，為了觀(guān)測系統性能的變化情況，繪制出系統性能在迭代過(guò)程中的變化曲線(xiàn)，如圖3所示。從圖3可以看出，隨著(zhù)迭代次數的增加，接入控制策略不斷進(jìn)行更新，系統性能也隨之顯著(zhù)提升，并最終在最優(yōu)策略下系統性能達到最優(yōu)。表2給出兩種不同策略下的系統性能對比數據，將基于POMDP的最優(yōu)策略與盡力而為策略作對比，發(fā)現最優(yōu)策略下的系統性能明顯優(yōu)于盡力而為策略，性能提升約10%，驗證了本文所提出的綜合優(yōu)化應用層服務(wù)節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )層傳輸鏈路服務(wù)性能的接入控制方案，在有效利用系統資源的同時(shí)，提高了系統的性能。

　　本文進(jìn)一步研究到達率對策略梯度優(yōu)化算法的影響，分別在低到達率λ2和高到達率λ3的情況下，觀(guān)測系統性能隨迭代次數增加的變化情況，其中λ2和λ3的取值如下，最終實(shí)驗仿真結果如圖4所示。

　　由圖4可知，不論是在低到達率還是高到達率下，策略梯度優(yōu)化算法都非常有效，接入控制策略的系統性能均隨著(zhù)迭代次數的增加逐漸升高，并在迭代結束后的最優(yōu)策略下達到最優(yōu)。系統性能的顯著(zhù)提升意味著(zhù)與盡力而為策略相比，媒體服務(wù)提供商采用最優(yōu)策略作為接入控制策略將得到更高的收益，從而提高了系統的運營(yíng)能力。

　　4結語(yǔ)

　　本文對基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的接入控制問(wèn)題進(jìn)行研究，在傳統接入控制方案的基礎上，結合SDN系統架構的特點(diǎn)，提出了一種綜合考慮應用層和網(wǎng)絡(luò )層優(yōu)化問(wèn)題的接入控制方案。該方案一方面優(yōu)化應用層上服務(wù)節點(diǎn)的服務(wù)性能;另一方面優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )層上服務(wù)節點(diǎn)到用戶(hù)之間的傳輸鏈路的服務(wù)性能，減少鏈路擁塞對數據傳輸和用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的影響。本文利用POMDP對系統的接入控制進(jìn)行建模，并采用策略梯度優(yōu)化算法求解出最優(yōu)策略。最后，通過(guò)仿真實(shí)驗驗證了模型的有效性及優(yōu)勢。

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