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Tipo: Trabalho de Conclusão de Curso
metadata.dc.title: Towards in-network neural networks
Autor(es): Vogt, Francisco Germano
Primeiro Orientador: Luizelli, Marcelo Caggiani
Resumo: Nos últimos anos as técnicas de machine learning (ML) têm se mostrado eficientes quando aplicadas a problemas de operação e gerenciamento de rede, existindo vários estudos recentes que buscam aplicar essas técnicas em áreas e tecnologias de rede especificas. Nesta monografia, dá-se o primeiro passo para uma implementação de plano de dados inteligente empregando Redes Neurais In-Network. O problema consiste em mapear um conjunto de redes neurais artificiais (RNAs) em uma infraestrutura de rede programável, seguindo uma série de restrições (como por exemplo mapear apenas um único neuronio por dispositivo de rede) que buscam otimizar o funcionamento da RNA na rede. Para resolver este problema, inicialmente é formalizado um problema de otimização, utilizando o modelo MILP (Mixed-Integer Linear Programming). Em seguida, desenvolve-se uma meta-heuristica baseada em um algoritmo construtivo e, outros dois algoritmos, sendo um guloso e outro aleatório. Ambos buscam encontrar uma solução válida para o problema com uma mínima quantidade de recursos utilizados (por exemplo, memória e processamento). O objetivo então é avaliar as soluções encontradas pelas estratégias propostas, em comparação a uma redução do problema para uma instância do VNE, problema similar ao que está sendo resolvido, porém com restrições mais simples. Além disso, busca-se avaliar o impacto de alguns parâmetros e métricas, como número de fluxos disponíveis/utilizados, na qualidade das soluções geradas. Os resultados mostram que as técnicas de meta-heurística e VNE não são capazes de encontrar soluções de maneira escalavél (em questões de processamento e memória) para o problema, limitando-se a instâncias pequenas do problema. Por outro lado, os algoritmos guloso e aleatório conseguem mapear o número máximo de RNAs possível, considerando RNAs de 5 neurônios e uma topologia do tipo fat-tree de 20 dispositivos, já para a topologia de 80 dispositivos mapeamos 87.5% das RNAs possíveis. Além disso, os algoritmos são capazes de mapear essas ANNs com uma número baixo de fluxos de rede disponível, encontrando por exemplo o número máximo de mapeamentos possível com apenas 20 fluxos disponíveis, para a topologia de 20 dispositivos.
Abstract: In recent years, machine learning (ML) techniques have been shown to be efficient when applied to network operation and management problems, and there are several recent studies that seek to apply these techniques in specific network areas and technologies. In this work, the first step is taken towards an intelligent data plan implementation using In-Network Neural Networks. The problem consists in mapping a set of Artificial Neural Networks Artificial Neural Networks (ANN) in a programmable network infrastructure, considering a series of restrictions (e.g., mapping only a single neuron per network device) that seek to optimize the operation of the ANNs in the network. To solve this problem, an optimization problem is initially formalized, using the Mixed-Integer Linear Programming (MILP) model. To try to find feasible solutions to the problem, we developed a math-heuristic based on solutions generated by a constructive heuristic, besides two other algorithms with polynomial complexity, based on random and greedy decisions. Both seek to find a valid solution to the problem with a minimum amount of resources used (for example, memory and processing). The objective is to evaluate the solutions found by the proposed strategies, in comparison to a reduction of the problem for an instance of the VNE, a problem similar to the one being solved, but with simpler restrictions. In addition, it seeks to assess the impact of some parameters and metrics, such as the number of available / used flows, on the quality of the solutions generated. The results show that the math-heuristic and VNE techniques can not generate scalable solutions (in terms of processing and memory) to the problem, being able to solve only small instances of the problem. On the other hand, the greedy and random algorithms can map the maximum number of ANNs possible, considering ANNs with 5 neurons and a fat-tree topology of 20 devices. Similarly, in the topology of 80 network devices, we map 87.5 % of the possible ANNs. In addition, the algorithms can map these ANNs with a low number of available network streams, finding, for example, the maximum number of mappings possible with only 20 flows available for the topology of 20 devices.
metadata.dc.subject: Ciência da computação
Software-defined networks
Aprendizado do computador
Machine learning
Computer science
CNPQ: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Idioma: eng
metadata.dc.publisher.country: Brasil
metadata.dc.publisher: Universidade Federal do Pampa
Sigla da Instituição: UNIPAMPA
Campus: Campus Alegrete
metadata.dc.identifier.citation: VOGT, Francisco Germano. Towards in-network neural networks. Orientador: Marcelo Caggiani Luizelli. 2021. 85p. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharel em Ciência da computação) - Universidade Federal do Pampa, Curso de Ciência da computação, Alegrete, 2021.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
metadata.dc.identifier.uri: http://dspace.unipampa.edu.br:8080/jspui/handle/riu/5616
metadata.dc.date.issued: 12-May-2021
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