一种基于能力位图约束的低轨卫星服务功能链快速部署方法、系统、设备及介质

本发明属于低轨卫星边缘计算、网络功能虚拟化及服务功能链部署，具体涉及一种基于能力位图约束的低轨卫星服务功能链快速部署方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、服务功能链（service function chain，sfc）是指将一组虚拟网络功能（virtualnetwork function，vnf）按照业务逻辑顺序串联起来，为用户提供端到端网络服务的技术。在低轨（low earth orbit，leo）卫星边缘计算场景中，由于卫星星座具有高动态性、异构性和资源受限等特点，sfc部署面临诸多挑战。

2、一方面，不同代际卫星的处理器架构、可信执行环境、容器运行时和硬件加速器不完全一致。若仅将卫星的异构性表示为连续计算容量，可能将资源数量充足但无法运行目标vnf的卫星判定为可行部署节点，导致部署失败或服务中断。

3、另一方面，现有全局整数规划或学习型部署方法需要较长的求解时间或训练时间，难以满足卫星网络中对决策时延敏感的业务需求；纯首次适应方法虽然部署速度快，但未进行下一跳连通性前视，一旦服务功能链中后部无可行节点，往往导致整体部署失败或需要全局重算，部署成功率低且资源利用率不均衡。

4、因此，亟需一种能够以离散能力位图作为硬准入条件，先快速获得可行初始放置，再依据当前链路状态建立动态路径，并在有界邻域内对瓶颈链段执行结构感知局部改进的多阶段部署方法，以提高动态卫星网络中sfc部署的成功率、效率和可靠性。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于能力位图约束的低轨卫星服务功能链快速部署方法、系统、设备及介质，其目的在于解决现有sfc部署方法中异构能力判定不准确、部署响应慢、前视不足导致整体失败以及负载不均衡的技术问题。

2、第一个方面，本发明的目的在于提供一种基于能力位图约束的低轨卫星服务功能链快速部署方法，包括以下步骤：

3、s101、接收服务功能链部署请求，将所述服务功能链中各虚拟网络功能的功能类型、运行环境和硬件需求编码为需求位图，并获取各候选卫星的能力位图；

4、s102、预测服务窗口内各候选卫星的可见性和星间链路连通性，剔除不可持续覆盖或剩余资源不足的候选卫星，对剩余候选卫星进行排序，形成各虚拟网络功能对应的候选序列；

5、s103、沿所述服务功能链的顺序扫描各虚拟网络功能对应的候选序列，对每个候选卫星依次执行能力位图包含检查、容量检查和前驱链路检查，在首次满足所述检查的候选卫星上执行临时资源预留，并对下一虚拟网络功能执行至少一跳的可达性和能力前视检查，前视检查通过后冻结当前映射前缀，由此获得满足硬约束的初始放置；

6、s104、依据当前星间链路的可用带宽、传播时延和可见剩余时间，为所述初始放置中相邻虚拟网络功能之间建立动态路径，当路径不可行时在有界回退窗口内替换对应局部映射；

7、s105、识别综合代价贡献最大的瓶颈虚拟网络功能或瓶颈链段，在包含所述瓶颈虚拟网络功能或瓶颈链段及相邻功能的有界邻域内生成虚拟网络功能迁移、相邻虚拟网络功能交换或路径替换的候选动作，仅接受不违反能力位图和容量硬约束且使综合代价下降的候选动作；

8、s106、当连续搜索未获得改进或达到搜索上限时停止局部搜索，对全部虚拟网络功能映射和路径执行原子提交，并更新能力位图版本、资源余量和候选排序缓存。

9、更进一步地，提供优选方案：所述能力位图包括可支持的虚拟网络功能类型字段，以及指令集、硬件加速器、容器运行时、可信执行能力和协议接口中的至少两个字段；所述需求位图与所述能力位图的字段一一对应。

10、更进一步地，提供优选方案：所述能力位图包含检查包括：将候选卫星的能力位图与当前虚拟网络功能的需求位图执行按位与运算，当运算结果等于所述需求位图时，确定该候选卫星在离散能力上满足当前虚拟网络功能的部署要求。

11、更进一步地，提供优选方案：所述对剩余候选卫星进行排序包括：按照组合代价对剩余候选卫星进行升序排列，所述组合代价包括传播距离项、可见剩余时间的倒数项、节点负载项和链路质量的倒数项的加权和。

12、更进一步地，提供优选方案：所述对下一虚拟网络功能执行至少一跳的可达性和能力前视检查包括：确认下一虚拟网络功能至少存在一个能力位图匹配的候选卫星，且当前候选卫星与该候选卫星之间在预测服务窗口内存在持续可用的链路，且所述链路的剩余带宽不小于业务带宽需求。

13、更进一步地，提供优选方案：所述有界回退窗口包括路径不可行位置对应的虚拟网络功能以及位于其之前的预设数量个虚拟网络功能，所述有界回退窗口的长度不超过预设上限；当路径不可行时，仅重新选择所述有界回退窗口内的虚拟网络功能的候选节点，不改变更早的已冻结映射前缀。

14、更进一步地，提供优选方案：所述综合代价包括端到端时延、节点负载方差、链路利用率和迁移开销中的至少两项；所述停止局部搜索包括：当连续预设轮次未获得使综合代价下降的候选动作，或者达到预设的搜索轮次上限时，停止局部搜索。

15、第二个方面，本发明的目的在于提出一种基于能力位图约束的低轨卫星服务功能链快速部署系统，用于实现上述任意一项或多项方案组合所述的基于能力位图约束的低轨卫星服务功能链快速部署方法，包括：

16、能力编码模块，用于接收服务功能链部署请求，将所述服务功能链中各虚拟网络功能的功能类型、运行环境和硬件需求编码为需求位图，并获取各候选卫星的能力位图；

17、候选生成模块，用于预测服务窗口内各候选卫星的可见性和星间链路连通性，剔除不可持续覆盖或剩余资源不足的候选卫星，对剩余候选卫星进行排序，形成各虚拟网络功能对应的候选序列；

18、初始放置模块，用于沿所述服务功能链的顺序扫描各虚拟网络功能对应的候选序列，对每个候选卫星依次执行能力位图包含检查、容量检查和前驱链路检查，在首次满足所述检查的候选卫星上执行临时资源预留，并对下一虚拟网络功能执行至少一跳的可达性和能力前视检查，前视检查通过后冻结当前映射前缀，由此获得满足硬约束的初始放置；

19、动态路由模块，用于依据当前星间链路的可用带宽、传播时延和可见剩余时间，为所述初始放置中相邻虚拟网络功能之间建立动态路径，当路径不可行时在有界回退窗口内替换对应局部映射；

20、局部搜索模块，用于识别综合代价贡献最大的瓶颈虚拟网络功能或瓶颈链段，在包含所述瓶颈虚拟网络功能或瓶颈链段及相邻功能的有界邻域内生成虚拟网络功能迁移、相邻虚拟网络功能交换或路径替换的候选动作，仅接受不违反能力位图和容量硬约束且使综合代价下降的候选动作；

21、事务提交模块，用于当连续搜索未获得改进或达到搜索上限时停止局部搜索，对全部虚拟网络功能映射和路径执行原子提交，并更新能力位图版本、资源余量和候选排序缓存。

22、第三个方面，本发明的目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据上述任意一项或多项方案组合所述的基于能力位图约束的低轨卫星服务功能链快速部署方法。

23、第四个方面，本发明的目的在于提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于储存计算机程序，所述计算机程序执行上述任意一项或多项方案组合所述的基于能力位图约束的低轨卫星服务功能链快速部署方法。

24、与现有技术相比，本发明的优势在于：

25、（1）采用位图包含关系执行常数级离散能力检查，能够准确识别卫星的异构能力差异，避免“资源够但功能不兼容”的卫星判定为可行节点，提高了部署的准确性。

26、（2）采用首次可行扫描结合下一跳前视检查的方式，无需等待全局最优求解，能够快速获得可行初始放置，适合对响应时间敏感的卫星边缘业务。

27、（3）下一跳前视在提交当前vnf之前发现后继阻塞，避免整体部署失败。采用有界回退窗口机制，路径不可行时仅修改局部映射，不改变已冻结的前缀，进一步限制重算范围，提高部署效率；

28、（4）采用动态路径和结构感知局部搜索，针对实际瓶颈改进时延及负载，无需重新枚举完整映射空间，抑制负载集中现象。

29、本发明适用于低轨卫星星座中对时延敏感的边缘计算业务编排。