基于軟件定義網(wǎng)絡的媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制
研究傳統(tǒng)媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制問題時，利用可獲取得到的服務節(jié)點的容量和負載等信息，那么，怎樣分析基于軟件定義網(wǎng)絡的媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制。
針對軟件定義網(wǎng)絡(SDN)環(huán)境下的媒體分發(fā)計算機網(wǎng)絡的接入控制問題，提出了一種綜合考慮服務節(jié)點和傳輸鏈路服務性能優(yōu)化問題的接入控制方案。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，對應用層上服務節(jié)點服務性能和網(wǎng)絡層上服務節(jié)點到用戶之間的傳輸鏈路的服務性能進行聯(lián)合優(yōu)化，減少了鏈路擁塞對數(shù)據(jù)傳輸和用戶服務質量的影響。首先，為SDN服務系統(tǒng)的接入控制過程建立部分可觀Markov決策過程(POMDP)模型;然后，使用基于觀測的隨機策略作為系統(tǒng)的接入控制策略;最后，通過策略梯度算法對接入控制策略進行優(yōu)化，求解出模型的最優(yōu)策略。仿真結果表明，與盡力而為的服務策略相比，基于POMDP模型的最優(yōu)接入控制策略使系統(tǒng)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)絡的視頻接入系統(tǒng)對傳輸時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系統(tǒng)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(tǒng)資源利用率、提供服務質量保障非常重要[1]。選擇一個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(tǒng)資源利用率;同時顯著地減少相應延遲，讓更多的用戶享受到高質量的服務[2]。
研究傳統(tǒng)媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制問題時，主要利用可獲取得到的服務節(jié)點的容量和負載等信息，來制定接入控制方案，即主要考慮應用層上服務節(jié)點的服務能力存在瓶頸，通過尋找最優(yōu)策略來優(yōu)化節(jié)點的服務性能，從而提高系統(tǒng)資源利用率和用戶的服務質量。目前，關于傳統(tǒng)媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制問題的研究有很多，基于閾值的接入控制方法由于結構簡單且易于實現(xiàn)，已經(jīng)被廣泛應用[3]，其中幾種基礎的基于簡單結構的閾值策略有完全共享策略[4-5]、完全區(qū)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)化的接入控制著重于通過隨機模型來描述系統(tǒng)狀態(tài)在網(wǎng)絡系統(tǒng)接入控制過程中的動態(tài)演化，并通過策略優(yōu)化算法對系統(tǒng)接入控制進行優(yōu)化。文獻[11]為資源共享系統(tǒng)設計了一種基于Markov決策過程(Markov Decision Process， MDP)模型的接入控制方案，用于分析和求解具有多個級別服務的系統(tǒng)的接入控制策略。基于隨機優(yōu)化的方法在對網(wǎng)絡系統(tǒng)接入控制過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(tǒng)的網(wǎng)絡中，在網(wǎng)絡層上采用盡力而為的服務方式，沒有考慮不穩(wěn)定的網(wǎng)絡狀態(tài)和網(wǎng)絡擁塞對視頻傳輸質量以及用戶服務質量造成的影響[12]。軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Network，SDN)作為一種可以克服上述缺陷的新型網(wǎng)絡系統(tǒng)架構，已經(jīng)成為研究熱點。SDN將網(wǎng)絡控制平面從傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡設備中獨立出來，使得網(wǎng)絡管理員能夠通過在控制器上編制軟件來靈活地控制和部署網(wǎng)絡功能，實現(xiàn)了網(wǎng)絡的可編程性。在基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡中，可以通過SDN控制器來控制網(wǎng)絡層視頻流的路徑選擇，從而降低視頻傳輸時延，提高服務質量[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的路由和緩存技術來進行流量管理，并根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)動態(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組播技術的內容分發(fā)方案，該方案根據(jù)當前網(wǎng)絡狀態(tài)動態(tài)地重構組播樹，并通過修剪擁塞鏈路對應的組播樹分支，來有效地減少網(wǎng)絡資源浪費。然而上述已有文獻并沒有對此類系統(tǒng)的接入控制問題進行探討，為了進一步提高系統(tǒng)資源利用率和用戶的服務質量，本文對基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制問題進行研究。而傳統(tǒng)媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制方案只在應用層上考慮優(yōu)化服務節(jié)點服務性能，而沒有考慮網(wǎng)絡層上傳輸鏈路的優(yōu)化問題，因此，在研究基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制問題時，采用上述方法已經(jīng)不合時宜。
本文認為在研究基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制問題時，應該充分利用SDN系統(tǒng)架構的優(yōu)勢和特點，不僅要考慮應用層上服務節(jié)點存在性能瓶頸;同時還應該考慮網(wǎng)絡層上鏈路擁塞對數(shù)據(jù)傳輸質量和用戶服務質量造成的影響。為此，利用SDN控制器對網(wǎng)絡的管理和控制能力，在獲取服務節(jié)點的資源分配和服務狀況信息的同時，獲取網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸路徑上的資源使用情況(如可用服務帶寬等)，為基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡系統(tǒng)提出了一種綜合考慮應用層和網(wǎng)絡層優(yōu)化問題的接入控制方法。該接入控制方法一方面優(yōu)化應用層上服務節(jié)點的服務性能;另一方面優(yōu)化網(wǎng)絡層上傳輸鏈路的服務性能，在有效利用系統(tǒng)資源的同時，提高了系統(tǒng)性能。此外，在傳統(tǒng)的接入控制方案中，決策時僅考慮是否接入，接入后的節(jié)點選擇依賴于源選擇策略，如Benchmark策略等[16]，本文在構建系統(tǒng)模型時，將節(jié)點選擇和鏈路選擇融合到行動空間中，通過策略梯度優(yōu)化算法，求解出使得系統(tǒng)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
首先介紹基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡的基本組成部分、相應的功能和相互之間的協(xié)作關系，在此基礎上再討論該系統(tǒng)的接入控制過程。
圖1給出了基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構。與傳統(tǒng)媒體分發(fā)網(wǎng)絡相比，基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡通過運行在高性能服務器上的SDN控制器加強了對整個網(wǎng)絡的控制和管理，其中SDN控制器可以查看整個網(wǎng)絡的狀態(tài)信息，克服了傳統(tǒng)媒體分發(fā)網(wǎng)絡中邊緣服務節(jié)點的局限性，因此基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡可以更好地進行全局優(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化。其次，在SDN中無需在網(wǎng)絡邊緣部署昂貴的邊緣代理服務器，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。用戶無需向距離較遠的邊緣服務器請求資源，SDN方案允許用戶向距離更近的可編程存儲路由器獲取請求資源，這可以顯著縮短資源傳輸距離，減少網(wǎng)絡故障等不穩(wěn)定因素的影響，從而提高視頻服務質量和用戶體驗質量。流媒體服務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自源服務器的新資源。
當系統(tǒng)中某個服務節(jié)點接收到一個來自用戶的服務請求后，該系統(tǒng)的接入控制過程就開始了，圖2給出了這個接入控制過程的控制結構。首先，用戶向網(wǎng)絡邊緣的服務節(jié)點i發(fā)送關于資源k的服務請求，本地服務節(jié)點i將該服務請求轉發(fā)給區(qū)域SDN控制器，該控制器會根據(jù)請求類型、系統(tǒng)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，控制器一方面會根據(jù)本地服務節(jié)點i和部分其他服務節(jié)點的服務狀態(tài)和資源分配情況，決定是由本地節(jié)點直接向用戶提供服務，或是向其他服務節(jié)點j發(fā)送資源k的數(shù)據(jù)調度請求，數(shù)據(jù)調度的目的是由其他服務節(jié)點向本地節(jié)點i推送所需資源k;另一方面根據(jù)本地節(jié)點i到用戶之間各條鏈路上的服務資源和負載情況，選擇本地節(jié)點i下的一條鏈路完成到用戶的資源傳輸。
當一個服務節(jié)點收到來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)調度請求后，不必對其是否接入進行決策，而是需要直接為該請求提供服務。然而，如果此服務節(jié)點處沒有足夠資源為這個請求提供服務時，為了保證正在被服務的其他用戶請求的服務質量，服務節(jié)點會放棄為這個請求提供服務。同樣在選擇傳輸鏈路時，如果鏈路服務能力達到上限，為了保證其他正在接收資源的用戶服務質量，傳輸鏈路會拒絕進行該數(shù)據(jù)傳輸。當一個請求所需的服務完成時，此請求所占用的系統(tǒng)資源也會隨之釋放;同時考慮到該系統(tǒng)中服務節(jié)點是可編程存儲路由器，其存儲空間有限，為了滿足不同用戶的不同資源請求，可以假設本地節(jié)點接收到的來自其他節(jié)點推送的資源，在服務完成用戶請求后會被釋放，即節(jié)點存儲矩陣在系統(tǒng)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題，但MDP方法面臨著狀態(tài)空間過大導致的維數(shù)災問題[17]，由MDP擴展的部分可觀Markov決策過程(Partially Observable Markov Decision Process， POMDP)可以基于觀測采取決策，能夠有效地解決MDP維數(shù)災問題，因此，本文通過POMDP對基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制進行建模，并通過策略梯度優(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)絡的接入控制問題時，可以作如下假設：根據(jù)視頻源服務器更新可編程存儲路由器中存儲資源的時間間隔較長，可以假設服務節(jié)點的存儲信息不變，即存儲矩陣不變;不同服務節(jié)點可以提供的服務種類是不一樣的;由于SDN控制器對網(wǎng)絡具有集中管控能力，可以為用戶選擇最短路徑來傳輸資源，因此可以假設每個用戶都是通過最短路徑向服務節(jié)點發(fā)送資源請求;當收到用戶請求的服務節(jié)點即本地服務節(jié)點沒有請求所需的資源時，需要通過數(shù)據(jù)調度從別的服務節(jié)點將所需資源推送到本地節(jié)點，再由本地節(jié)點向用戶提供服務;用戶只能通過本地節(jié)點下的鏈路接收資源，這是因為在實際系統(tǒng)中，服務節(jié)點無法直接向所有用戶提供服務。
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(tǒng)進行POMDP建模時綜合考慮了服務節(jié)點和傳輸鏈路的性能優(yōu)化問題。以服務用戶數(shù)作為系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)來反映服務節(jié)點和傳輸鏈路的負載，以節(jié)點選擇和鏈路選擇作為決策行動，并定義用戶的請求到達和服務完成作為觀測事件，進而可以計算出狀態(tài)之間的轉移概率和產(chǎn)生觀測的概率，在模型構建完成后，通過策略梯度算法對接入控制策略進行優(yōu)化。由于以系統(tǒng)長期運行得到的平均報酬作為衡量系統(tǒng)性能的準則，從而求解出的最優(yōu)策略可以提高系統(tǒng)運營收益，對服務節(jié)點性能優(yōu)化的同時，通過為用戶選擇傳輸鏈路，減少了鏈路擁塞對數(shù)據(jù)傳輸質量和用戶服務質量造成的影響，并改善用戶的服務體驗，減少系統(tǒng)資源的浪費。
在對基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制建模之前，首先給出系統(tǒng)的一些主要參數(shù)及描述。在基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡中，用戶可以請求的資源種類數(shù)為K，K種資源存儲在N個可編程存儲路由器中，即系統(tǒng)中服務節(jié)點數(shù)為N;用Vi表示節(jié)點i處的服務連接數(shù)上限，當節(jié)點i的服務連接數(shù)等于Vi時，拒絕其他接入的請求;Li表示服務節(jié)點i下向用戶進行資源傳輸?shù)逆溌窋?shù)，所有服務節(jié)點到用戶之間用于資源傳輸?shù)逆溌窋?shù)總數(shù)為L，滿足L=L1∪L2∪…∪LN;用Bli表示節(jié)點i下鏈路l上可用于資源傳輸?shù)姆⻊諑捝舷蓿斣撴溌飞弦严牡姆⻊諑挼扔贐li時，拒絕其他的資源傳輸請求;bk表示向用戶提供第k種資源服務所消耗的服務帶寬;假設用戶請求到達服從泊松分布，用λilik表示節(jié)點i收到來自鏈路li關于資源k的請求到達率;假設用戶服務時間服從指數(shù)分布，用μk表示關于資源k的服務率。
根據(jù)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仿真實例
假設一個基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡系統(tǒng)可以向用戶提供4種資源服務，并存儲在3個可編程存儲路由器中，即該系統(tǒng)中服務節(jié)點數(shù)為3，并假設每個服務節(jié)點下各有3條鏈路可以進行資源傳輸，資源在各個節(jié)點的分布情況由存儲矩陣D決定，下面給出系統(tǒng)仿真參數(shù)取值，如表1所示。
在仿真優(yōu)化初始階段，由于系統(tǒng)資源消耗較少，本文選擇盡力而為的服務策略作為起始策略，該策略一方面使服務節(jié)點盡可能大地接入用戶的資源請求;另一方面，選擇最短傳輸鏈路作為服務節(jié)點向用戶推送資源的路徑選擇策略。起始策略在系統(tǒng)負載較低的情況下，可以為用戶提供良好的服務質量，但隨著系統(tǒng)內服務用戶數(shù)的增加，由于沒有考慮節(jié)點和傳輸鏈路的負載情況以及對用戶造成的服務延時，會導致系統(tǒng)整體負擔較大，在極大浪費系統(tǒng)資源的同時，使用戶得到較差的體驗質量。
在選定初始策略的基礎上，使用策略梯度優(yōu)化算法進行策略迭代，由于選取系統(tǒng)長期運行得到的平均報酬作為系統(tǒng)性能測度，優(yōu)化目標是求出最優(yōu)策略使其最大，為了觀測系統(tǒng)性能的變化情況，繪制出系統(tǒng)性能在迭代過程中的變化曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，隨著迭代次數(shù)的增加，接入控制策略不斷進行更新，系統(tǒng)性能也隨之顯著提升，并最終在最優(yōu)策略下系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。表2給出兩種不同策略下的系統(tǒng)性能對比數(shù)據(jù)，將基于POMDP的最優(yōu)策略與盡力而為策略作對比，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)策略下的系統(tǒng)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)化應用層服務節(jié)點和網(wǎng)絡層傳輸鏈路服務性能的接入控制方案，在有效利用系統(tǒng)資源的同時，提高了系統(tǒng)的性能。
本文進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，觀測系統(tǒng)性能隨迭代次數(shù)增加的變化情況，其中λ2和λ3的取值如下，最終實驗仿真結果如圖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(tǒng)性能均隨著迭代次數(shù)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(tǒng)性能的顯著提升意味著與盡力而為策略相比，媒體服務提供商采用最優(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(tǒng)的運營能力。
4結語
本文對基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡的接入控制問題進行研究，在傳統(tǒng)接入控制方案的基礎上，結合SDN系統(tǒng)架構的特點，提出了一種綜合考慮應用層和網(wǎng)絡層優(yōu)化問題的接入控制方案。該方案一方面優(yōu)化應用層上服務節(jié)點的服務性能;另一方面優(yōu)化網(wǎng)絡層上服務節(jié)點到用戶之間的傳輸鏈路的服務性能，減少鏈路擁塞對數(shù)據(jù)傳輸和用戶服務質量的影響。本文利用POMDP對系統(tǒng)的接入控制進行建模，并采用策略梯度優(yōu)化算法求解出最優(yōu)策略。最后，通過仿真實驗驗證了模型的有效性及優(yōu)勢。
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