基于改進智能優(yōu)化算法的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理方法

王智明，陳冰

（1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，北京 100032；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司總部，北京 100033）

基于改進智能優(yōu)化算法的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理方法

王智明1，陳冰2

（1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，北京 100032；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司總部，北京 100033）

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化已成為全球電信行業(yè)發(fā)展的重要趨勢，隨著網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的快速發(fā)展及其電信業(yè)務(wù)的迅速增長，需要處理分析的數(shù)據(jù)量過大、分析和處理故障的效率較低等問題日益突出。針對日益迫切的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化發(fā)展需求，基于改進智能優(yōu)化算法的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理方法對于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的迅速持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在研究網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化傳統(tǒng)故障管理功能機制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于改進智能優(yōu)化算法的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理方法，較好地解決了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理的現(xiàn)存問題。

電信行業(yè)；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化；故障分析處理

1 引言

隨著全球電信行業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)的成本逐漸升高，兼顧現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，即便滿足基本需求也需要耗費較高的成本。目前，電信運營商的網(wǎng)絡(luò)主要依賴數(shù)量巨大且仍在不斷增加的硬件應(yīng)用。部署新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要不斷增加運營成本和資本支出，同時需要運營所需要的專業(yè)技術(shù)及復(fù)雜硬件應(yīng)用。而且，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)已遍及每一個角落，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在需求—設(shè)計—整合—部署循環(huán)周期中一般很少或沒有經(jīng)濟收益。進一步，硬件的生命周期隨著技術(shù)、服務(wù)發(fā)展創(chuàng)新的加速而逐漸縮短。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的部署幫助運營商實現(xiàn)了靈活、簡單、硬件設(shè)備 統(tǒng) 一 、高 效的網(wǎng)絡(luò)［1，2］。運營商 通 過 API開放實現(xiàn)了靈活、多樣的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力［3-5］。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化現(xiàn)已成為全球電信行業(yè)發(fā)展的重要趨勢［6，7］，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)是為了解決現(xiàn)有專用通信設(shè)備的不足而產(chǎn)生的，是對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能進行虛擬化，并將其承載于通用硬件構(gòu)成的軟件平臺［8，9］。在這種情況下，面對日益迫切的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化發(fā)展需求［10，11］，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理方法對于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的迅速持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

隨著電信應(yīng)用業(yè)務(wù)的快速增長和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的快速發(fā)展［12，13］，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化使用網(wǎng)元管理系統(tǒng)（element management system，EMS）以及由網(wǎng)絡(luò)功能虛擬基礎(chǔ)設(shè)施（network function virtual infrastructure，NFVI）等上報的故障管理方式［14，15］，存在較多局限性，如準(zhǔn)確度不高、故障處理時間較長、故障處理效率較低等，已經(jīng)不再適用，必須提出新型的適用于高服務(wù)要求和大數(shù)據(jù)量處理分析的故障分析的處理方法。綜上所述，本文提出了一種基于改進智能優(yōu)化算法的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理方法，該方法具有準(zhǔn)確度高、故障處理時間較短、故障處理效率較高等優(yōu)勢。

2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理總體架構(gòu)

圖1為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的故障分析處理總體架構(gòu)［16，17］。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的故障分析處理方法采用松耦合架構(gòu)［18-20］。系統(tǒng)從橫向可分為兩個域：業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)域和管理編排（management and orchestration，MANO）域，管理編排域包含的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化組織與編排（NFVO）主要包括故障管理和流程編排等8個子功能模塊。

圖1 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理總體架構(gòu)

為了滿足服務(wù)等級協(xié)議（service level agreement，SLA）的要求，故障管理功能子模塊一般采用典型的集中或分布式部署模式。故障管理功能子模塊的故障通知機制的通知來源為物理基礎(chǔ)設(shè)施（計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)）、虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施（虛擬機相關(guān)）、應(yīng)用邏輯（VNF實例相關(guān)故障）。故障管理功能子模塊在進行故障的根源分析和處理后，根據(jù)相應(yīng)的故障信息在最短時間內(nèi)進行處理，本文的故障管理功能子模塊準(zhǔn)確度高、故障處理時間較短、故障處理效率較高。

3 基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化架構(gòu)的準(zhǔn)確高效故障分析處理方法

準(zhǔn)確高效故障分析處理方法包括獲取訂閱點消息單元、獲取故障點消息單元、分析決策單元和消息通知單元。獲取訂閱點消息單元用于獲取網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化架構(gòu)中的訂閱點發(fā)送的故障訂閱消息；獲取故障點消息單元用于獲取網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化系統(tǒng)中故障發(fā)布點（基礎(chǔ)設(shè)施或虛擬網(wǎng)絡(luò)功能）發(fā)送的故障發(fā)布消息；分析決策單元用于將所述請求訂閱的故障信息和所述故障發(fā)布消息進行分析決策，生成故障通知消息；消息通知單元用于將所述故障告知與所述訂閱點的標(biāo)識關(guān)聯(lián)的訂閱點，進而實現(xiàn)故障點信息的準(zhǔn)確快速分析決策和通知。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理方法流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理方法流程

本文采用貪婪智能優(yōu)化算法進行屬性約簡，并使用粗糙集算法進行分析決策。該方法有效提高了相關(guān)故障分析處理的準(zhǔn)確度，并且有效減少了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬基礎(chǔ)設(shè)施和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的相關(guān)故障分析處理時間，較大提高了故障分析處理效率。

屬性約簡已被驗證為非確定多項式（non-deterministic polynomial，NP）問題，常用的屬性約簡方法往往是局部最優(yōu)卻不能取得全局最優(yōu)，并且，隨著數(shù)據(jù)量增加，約簡復(fù)雜度也會增大，更難以取得全局最優(yōu)。

本文提出了一種改進智能優(yōu)化粗糙集算法，此算法在智能優(yōu)化算法的評估函數(shù)中使用粗糙集思想，使用貪婪思想進行最優(yōu)選擇操作，使用切比雪夫距離進行種群更迭，明顯改善了該算法獲得最優(yōu)屬性的效率和準(zhǔn)確性。改進智能優(yōu)化粗糙集算法流程如圖3所示。

圖3 改進智能優(yōu)化粗糙集算法流程

具體步驟如下所示。

（1）設(shè)定改進智能優(yōu)化粗糙集算法的初始參數(shù)，300為最大迭代次數(shù)，并規(guī)定編碼規(guī)則及表現(xiàn)形式。

（2）編碼操作

初始迭代種群中的初始個體交換為由0和1構(gòu)成的原始解，所有個體均為可行解。每一個個體的表示形式均為距離為H（H即屬性總數(shù)）的二進制數(shù)值串。其中的一位對應(yīng)每一個個體的某個屬性。若取值為1，即具有此屬性；否則，無此屬性。

評價函數(shù)，該算法在迭代求解階段中以評價函數(shù)進行評價。其中，使用屬性頻率為評價函數(shù)進行啟示，某屬性的頻率越高則其區(qū)別性越強。并且，使用變值系數(shù)εij區(qū)分矩陣的屬性頻率計算式為：

其中，如果屬性 α在區(qū)分矩陣中，則 εij為 1，否則為0。本文構(gòu)建的評價函數(shù)為：

式（2）中，d（y）為每一個個體包含的屬性數(shù)量，H 為每一個個體距離，η為每一個個體的屬性頻率和。綜上所述，每一個個體的屬性數(shù)量少且區(qū)分功能強大時，則迭代到下一次的可能性較大。

（3）選擇操作

即按照評價函數(shù)的值區(qū)分優(yōu)劣并保留優(yōu)秀的個體。并且，當(dāng)次迭代前的優(yōu)秀個體替換掉本次迭代的部分劣勢個體。假設(shè)種群規(guī)模為k，每一個個體的評估函數(shù)值為fj（j=1，2，…，k）。

采用貪婪思想選擇優(yōu)秀個體，并且采用改進的保留優(yōu)秀個體的方式，讓待選個體依據(jù)評估值排列，其中待選個體的最小評估值為 m（j），則將迭代前評估值大于 m（j）的個體替換迭代后的劣勢個體，從而確保智能優(yōu)化粗糙集算法獲取全局最優(yōu)解。

（4）學(xué)習(xí)及提高操作

本文采用動物群體在捕食中的學(xué)習(xí)和提高思想，即先依據(jù)每一個個體的評估值，將種群中最優(yōu)秀個體的捕食位置作為全局最優(yōu)捕食位置和當(dāng)次迭代的最優(yōu)捕食位置，然后種群中其余個體均依據(jù)式（3）對種群個體的捕食位置p進行學(xué)習(xí)和提高。

（5）種群更迭操作

多點更迭，即隨機選取多個更迭點。并且，使用切比雪夫距離判斷每兩個個體的相似度，將對應(yīng)更迭點的數(shù)值互相替換。其個體相似度為：

其中，距離度量值duυ越高，個體相似度值res越低，區(qū)別性越高。為個體u和υ的距離。依據(jù)某些動物群體繁衍的抽象規(guī)則，僅由種群中最優(yōu)秀個體分別與種群中其余個體進行可能的種群更迭，并且僅當(dāng)每兩個個體的個體相似度res≤0.2時才執(zhí)行更迭操作，從而確保迭代種群的多樣性和準(zhǔn)確性。

（6）若符合迭找停止條件則本算法結(jié)束，否則轉(zhuǎn)至選擇操作。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化已成為全球電信行業(yè)發(fā)展的重要趨勢，并且電信應(yīng)用業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化仍在持續(xù)快速發(fā)展。針對日益迫切的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化發(fā)展需求，本文提出了基于改進智能優(yōu)化算法的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化故障分析處理方法，該方法基于改進智能優(yōu)化算法，結(jié)合了粗糙集理論，能較好地適用于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的故障分析和處理，并提供了有效的解決方案。

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Network function virtualization fault analysis and processing method based on improved intelligent optimization algorithm

WANG Zhiming1，CHEN Bing2
1.Research Institute of China United Network Communications Group Co.，Ltd.，Beijing 100032，China 2.Headquarters of China United Network Communications Group Co.，Ltd.，Beijing 100033，China

Network function virtualization hasbecome an importanttrend in the globaldevelopmentof telecommunications industry，with the rapid development of network function virtualization and rapid growth of the telecommunications business，analysis and processing of data is too large to deal with，its problems such as low efficiency of fault analysis and processing have become increasingly prominent.For the increasingly urgent development needs of network function virtualization，fault analysis and processing method based on improved intelligent optimization algorithm is important for the rapid and sustainable development of network function virtualization.Based on the research of the convention mechanism of fault analysis and processing for network function virtualization，a method of fault analysis and processing for network function virtualization based on improved intelligent optimization algorithm was presented，it could solve the existing problems of fault analysis and processing for network function virtualization better.

telecommunications industry，network function virtualization，fault analysis and processing

2015-12-08；

2016-03-09

G305

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016099

王智明（1982-），男，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為云計算、智慧城市、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。

陳冰（1972-），男，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司總部高級工程師，主要研究方向為云計算、運維自動化、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。

研究與開發(fā)