一种意图驱动的空间信息网络编排系统及方法与流程

1.本发明属于通信网络技术领域，尤其涉及一种意图驱动的空间信息网络编排系统及方法。


背景技术：

2.目前，以软件定义网络sdn(software defined network)、网络功能虚拟化nfv(network function virtual)等为代表的新兴技术是为应对异构多域网络和多租户多应用服务而提出的，可在异构环境下对全网设备进行统一管理和动态配置。
3.sdn架构下的空间信息网络具备网络层数控分离、集中式可编程的特点，可以实现对网络的集中式管理和灵活控制，使得网络的可控性得到增强。控制平面实时获取网络状态信息，进行复杂的路由计算，而数据平面仅执行数据转发功能，一定程度上降低了网络成本和开销；nfv将网络功能与硬件设备分离，形成虚拟网络功能vnf(virtual network function)，多个vnf按一定顺序排列构成了服务功能链sfcs(service function chains)。sfc的出现提供了灵活、可重配置、面向任务的服务供应方式，可有效提高空间信息网络任务编排能力。
4.sdn和nfv的融合使用已成为当前网络范式演进的主流方向。然而，随着网络技术的发展，用户数目的增长和业务类型的多样化会导致网络数据量暴增，网络开销亟待减轻。意图驱动网络idn(intent-driven network)技术是在sdn的基础上演进的，由意图转译，策略生成，策略验证三大主要技术构成，并形成闭环，致力于使网络基础设施与业务目标保持一致。相比于sdn，idn不关注底层网络实现细节，用户仅使用自然语言表达空间信息网络任务需求，即意图，即可实现自动化、高可靠的网络服务。
5.传统空间信息网络在执行任务过程中，人工依赖度高。以对地观测卫星为例，其执行任务过程主要为：用户提出任务需求，卫星管控部门接收到任务后，进行分析，并综合任务需求以及空间信息网络资源进行综合统筹，之后转换为具体指令发送给卫星。该过程中，不仅人工参与度高，且对管控部门员工的专业度、经验丰富度等要求也高。这大大降低了任务执行的效率，同时对卫星资源的利用率也降低了。在空间信息网络中应用意图驱动网络技术，具有如下优点：1)idn着眼于满足最终用户的业务诉求，为空间信息网络管控系统中的专业人员、甚至非专业人员带来便捷；2)idn可以实现对用户意图的解析到自动下发全过程，减少人工依赖；3)idn对数据信息依赖度高，空间信息网络庞大的信息数据更能发挥idn的优势。
6.现有技术一一种卫星任务需求配置方法及系统，通过数字化模型构建、基于小样本任务数据的内隐规则提取、样本扩充、卫星任务需求智能决策算法等，实现卫星任务需求智能化决策，解决了目前卫星任务属性决策过程对人力的依赖度处理效率低，智能化程度较弱等不足。现有技术二一种面向空间信息网络的网络功能服务链部署方法，获取空间信息网络状态信息，利用预先建立的网络功能服务链放置模型计算各部署策略的部署成本，选取部署成本最低的部署策略为目标部署策略，可以在卫星链路发生变化时，对空间信息
网络进行快速部署，避免服务质量的下降。
7.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
8.(1)现有技术一仅关注智能化决策过程，并未考虑用户的任务需求表达方式，对管理员的专业知识要求较高，用户体验度方面仍有待提高。
9.(2)现有的技术二缺乏任务需求与部署策略的一致性验证环节，存在用户需求与部署策略存在出入的情况，用户满意度有待提高。
10.解决以上问题及缺陷的难度为：随着空间信息网络的发展，用户数量不断增加，相应的，其承载的业务种类不断丰富，数据规模不断增加。不断变化的用户需求对空间信息网络的精细化管理配置能力提出了更高的要求，如何在实现空间信息网络任务编排的同时尽可能简化用户的需求表达方式，提高用户满意度是需要解决的一个关键问题。
11.意图驱动网络仍处于发展阶段，目前尚未在空间信息网络中得到充分应用，如何在空间信息网络任务编排过程中充分发挥意图驱动网络技术的优势，促进空间信息网络的进一步发展使当前面临的一个比较大的挑战。
12.解决以上问题及缺陷的意义为：意图驱动网络着眼于满足用户的业务需求，凭借其自动化、自优化的特点，是进一步提高空间信息网络任务执行效率、卫星资源利用率以及用户满意度的关键。同时，研究意图驱动的空间信息网络任务编排方法旨在减少人工依赖，为管控人员提供高效、便捷的管理方式。


技术实现要素：

13.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种意图驱动的空间信息网络编排系统及方法。
14.本发明是这样实现的，一种意图驱动的空间信息网络编排方法，所述意图驱动的空间信息网络编排方法包括以下步骤：
15.步骤一，以文本或语音的形式输入的空间信息网络任务需求经意图转译后生成五元组形式的意图标准表达式；
16.步骤二，意图管理模块生成满足空间信息网络服务需求的服务功能链sfc(service function chain)描述符；
17.步骤三，策略配置模块将空间信息网络描述符转换成底层空间信息网络基础设施可识别的策略形式；
18.步骤四，服务编排器so(service orchestrator)指导虚拟网络功能管理器vnfm(virtualized networks function management)进行相应的虚拟网络功能vnfs(virtual network functions)实例化、终止、监控和修改操作；同时在空间信息网络基础设施上自动部署流规则。
19.进一步，步骤一中，所述五元组形式的意图标准表达式，形式为《领域、属性、对象、操作、结果》；其中，所述领域用于描述卫星任务的类型，所述属性用于描述卫星任务所属领域的具体特征，包括qos需求，对象用于描述卫星任务所针对的对象等，操作用于描述用户期望的卫星行为，即在某个条件约束下，做某个动作，结果用于描述用户希望卫星达到的状态。
20.步骤二中，所述意图管理模块生成满足空间信息网络服务需求的sfc描述符，包
括：
21.(1)意图保障模块根据当前空间信息网络状态信息预测各卫星的资源利用情况，包括通信资源、计算资源和存储资源；
22.(2)意图管理模块查询策略库，根据空间信息网络任务类型选择合适的vnfs，如空间信息网络执行过该类型任务，则直接选用已有的vnfs以既定的顺序构成sfc；
23.(3)根据空间信息网络任务属性和各卫星的资源利用率，意图管理模块确定部署vnfs的卫星编号；
24.(4)在部署相邻两个vnfs的卫星之间使用dijsktra算法计算最短路由路径，并添加到服务功能转发路径中；
25.(5)生成sfc描述符，包括虚拟空间信息网络服务描述符、vnfs描述符；
26.其中，所述服务描述符包括《name，requirement》；其中，所述name表示空间信息网络任务名称，所述requirement表示空间信息网络任务需求，包含bandwidth，lantency在内的sal参数；
27.所述vnfs描述符《block，satellite id，order，symmetric》；所述block表示sfc的组件，用于指定sfc中的vnf名称；所述satellite id表示部署该vnf的卫星标识；所述order用于指定sfc中各个组件的顺序；所述symmetric表示是否在两个通信方向遍历所有组件。
28.进一步，步骤四中，所述so指导vnfm进行相应的vnfs实例化、终止、监控和修改操作，包括：
29.(1)从策略配置器接收sfc描述符，so确定scf的详细组成，以及如何在虚拟化基础架构中部署vnf；对于那些可以部署为虚拟网络框架的sfc组件，so决定将必要的sfc部署模板交付给vnfm；其中，所述sfc部署模板包括服务描述符和vnf描述符；
30.(2)so向vnfm发送请求，以实例化网络服务；
31.(3)vnfm基于从so接收的sfc部署模板实例化空间信息网络服务；为此，vnfm与网络功能虚拟化基础设施接入点的vim进行互动；
32.(4)vnfm向so确认网络服务实例化的完成；
33.(5)so完成新虚拟卫星网络vsn(virtual satellite network)的运行激活；启动监督程序，以便so监督vsn的运作状况；
34.(6)so向用户确认vsn实例化的完成；
35.(7)通过交互界面告知用户vsn已投入运营，同时向用户提供有关实例化设置的详细信息，包括vsn与用户控制和管理系统集成的地址和端口；
36.(8)实例化的vsn和用户设备之间的控制和管理连接被建立。
37.本发明的另一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，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
38.以文本或语音的形式输入的空间信息网络任务需求经意图转译后生成五元组形式的意图标准表达式；意图管理模块生成满足空间信息网络服务需求的sfc描述符；策略配置模块将空间信息网络描述符转换成底层空间信息网络基础设施可识别的策略形式；so指导vnfm进行相应的vnfs实例化、终止、监控和修改操作；同时在空间信息网络基础设施上自动部署流规则。
39.本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
40.以文本或语音的形式输入的空间信息网络任务需求经意图转译后生成五元组形式的意图标准表达式；意图管理模块生成满足空间信息网络服务需求的sfc描述符；策略配置模块将空间信息网络描述符转换成底层空间信息网络基础设施可识别的策略形式；so指导vnfm进行相应的vnfs实例化、终止、监控和修改操作；同时在空间信息网络基础设施上自动部署流规则。
41.本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的意图驱动的空间信息网络编排系统。
42.本发明的另一目的在于提供一种意图驱动的空间信息网络编排系统，所述意图驱动的空间信息网络编排系统包括：
43.业务应用层，用于提供可视化管理界面，允许用户以语音、文本等形式输入声明性空间信息网络个性化服务定制意图；提供添加、删除、修改意图的功能；支持用户与空间信息网络的实时交互；
44.意图使能层，包括意图引擎、多域资源管理器，用于通过北向接口接受用户输入的意图，通过南向接口以openflow流表的形式集中管控空间信息网络基础设施；同时意图使能层实现服务功能链sfc部署策略的自动生成，并完成用户意图与so可理解的策略之间的转换；
45.动态编排层，用于对虚拟空间信息网络服务功进行自动化配置、管理和协调；接收意图使能层的网络策略，向网络功能虚拟化管理器提供必要的空间信息网络服务部署模板，以部署和链接构成定制虚拟空间信息网络服务的虚拟网络功能vnf，完成对虚拟空间信息网络服务功能的实例化、终止、监控和修改；
46.基础设施层，包括卫星通信系统的地面段、空间段和用户段的物理设备实体，用于实时收集空间信息网络状态信息，经处理后回传至意图使能层，为策略配置和意图保障提供参数支持；空间信息网络各节点与vnfs一一对应。
47.进一步，意图使能层中，所述意图引擎，包括：
48.意图转译模块，用于将自然语言描述的空间信息网络个性化定制服务需求转换为规则的、机器可识别的语言，提取意图关键信息；
49.vnfs策略库，用于存储已有的vnfs与空间信息网络各节点的对应关系，以及不同服务意图对应的vnfs的连接顺序；
50.意图管理模块，用于协调意图转译与策略库，通过查询vnfs策略库，选择最符合服务需求的vnfs构建sfc；同时结合当前和预测的空间信息网络状态，生成服务转发路径，生成sfc描述符，以给定的模板形式转发给策略配置模块；
51.策略配置模块，用于将意图管理模块输出的空间信息网络描述符转换成空间信息网络so可接受的配置策略形式；
52.意图保障模块，用于监控状态，利用当前网络状态信息预测空间信息网络通信资源、计算资源和存储资源，辅助意图管理模块选择最优的服务转发路径；同时向用户实时反馈意图的执行情况，保证网络服务严格按用户需求执行。
53.所述多域资源管理器，用于向空间信息网络提供跨/多域服务编排能力，涉及的组
件包括多域管理器和多域代理。
54.进一步，动态编排层中，所述对虚拟空间信息网络服务功进行自动化配置、管理和协调，包括：
55.服务编排模块，用于向nfv管理模块提供必要的网络服务部署模板，以部署和连接给定虚拟空间信息网络服务的vnfs，决定sfc的组成和能力；
56.nfv管理模块，用于构建部分虚拟空间信息网络功能的实体，负责虚拟空间信息网络功能的实例化、规模确定和终止。
57.本发明的另一目的在于提供一种空间信息网络设备，所述空间信息网络设备用于实现所述的意图驱动的空间信息网络编排系统。
58.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：意图驱动网络技术暂未应用于空间信息网络领域，本发明所提出的意图驱动的空间信息网络任务编排系统及方法首次将意图驱动网络技术应用于空间信息网络任务编排中，有利于减少人工依赖，为管控人员提供高效、便捷的管理方式，促进空间信息网络的发展。同时，本发明为传统空间信息网络提供了一种灵活、可重构、网络服务再利用的高效任务编排方法，可以支持空间信息网络灵活面对不断变化的用户需求，满足细粒度的qos保障。
附图说明
59.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
60.图1是本发明实施例提供的意图驱动的空间信息网络编排方法流程图。
61.图2是本发明实施例提供的意图驱动的空间信息网络编排系统结构框图；
62.图中：1、业务应用层；2、意图使能层；3、动态编排层；4、基础设施层。
63.图3是本发明实施例提供的虚拟空间信息网络功能实例化的流程图。
64.图4是本发明实施例提供的意图驱动的空间信息网络任务编排方法流程图。
65.图5是本发明实施例提供的leo卫星对北京地面站的时间访问窗示意图。
66.图6是本发明实施例提供的实线表示数据传输路径，在所连接的leo卫星节点上部署相应的vnf示意图。
67.图7是本发明实施例提供的vnf部署后的网络拓扑图。
具体实施方式
68.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
69.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种意图驱动的空间信息网络编排系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
70.如图1所示，本发明实施例提供的意图驱动的空间信息网络编排方法包括以下步骤：
71.s101，以文本或语音的形式输入的空间信息网络任务需求经意图转译后生成五元组形式的意图标准表达式；
72.s102，意图管理模块生成满足空间信息网络服务需求的服务功能链sfc描述符；
73.s103，策略配置模块将空间信息网络描述符转换成底层空间信息网络基础设施可识别的策略形式；
74.s104，服务编排器so指导虚拟网络功能管理器vnfm进行相应的虚拟网络功能vnfs实例化、终止、监控和修改操作；同时在空间信息网络基础设施上自动部署流规则。
75.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
76.针对现有技术存在仅关注智能化决策过程，并未考虑用户的任务需求表达方式，对管理员的专业知识要求较高，用户体验度方面仍有待提高，缺乏任务需求与部署策略的一致性验证环节，存在用户需求与部署策略存在出入的情况，用户满意度有待提高的问题，本发明面向未来空间信息网络多元化任务需求，旨在减少人工依赖，为管控人员提供高效、便捷的管理方式。
77.如图2所示，本发明实施例提供的意图驱动的空间信息网络编排系统结构包括：业务应用层1、意图使能层2、动态编排层3、基础设施层4。
78.业务应用层1，提供可视化管理界面，允许用户以语音、文本等形式输入声明性空间信息网络个性化服务定制意图；提供添加、删除、修改意图的功能；支持用户与空间信息网络的实时交互。
79.意图使能层2，包括意图引擎、多域资源管理器；意图使能层通过北向接口接受用户输入的意图，通过南向接口以openflow流表的形式集中管控空间信息网络基础设施；同时，意图使能层可以sfc部署策略的自动生成，并完成用户意图与so可理解的策略之间的转换。
80.动态编排层3，对虚拟空间信息网络服务功进行自动化配置、管理和协调；接收意图使能层的网络策略，向vnfm提供必要的空间信息网络服务部署模板，以部署和链接构成定制虚拟空间信息网络服务的vnf；完成对虚拟空间信息网络服务功能的实例化、终止、监控和修改。
81.基础设施层4，包括卫星通信系统的地面段、空间段和用户段的物理设备实体，实时收集空间信息网络状态信息，经处理后回传至意图使能层，为策略配置和意图保障提供参数支持；空间信息网络各节点与vnfs一一对应。
82.意图引擎包括：
83.意图转译模块，用于将自然语言描述的空间信息网络个性化定制服务需求转换为规则的、机器可识别的语言，提取意图关键信息；
84.vnfs策略库，用于存储已有的vnfs与空间信息网络各节点的对应关系，以及不同服务意图对应的vnfs的连接顺序；
85.意图管理模块，用于协调意图转译与策略库，通过查询vnfs策略库，选择最符合服务需求的vnfs构建sfc；同时，结合当前和预测的空间信息网络状态，生成服务转发路径，并生成sfc描述符，以给定的模板形式转发给策略配置模块；
86.策略配置模块，用于将意图管理模块输出的空间信息网络描述符转换成空间信息网络so可接受的配置策略形式；
87.意图保障模块，监控空间信息网络状态，并利用当前网络状态信息预测空间信息网络通信资源、计算资源、存储资源，辅助意图管理模块选择最优的服务转发路径；同时，向用户实时反馈意图的执行情况，保证网络服务严格按用户需求执行。
88.多域资源管理器用于向空间信息网络提供跨/多域服务编排能力，涉及的组件包括多域管理器和多域代理。
89.虚拟空间信息网络服务功进行自动化配置、管理和协调包括：
90.服务编排模块，用于向nfv管理模块提供必要的网络服务部署模板，以部署和连接给定虚拟空间信息网络服务的vnfs，决定sfc的组成和能力；
91.nfv管理模块，用于构建部分虚拟空间信息网络功能的实体，负责虚拟空间信息网络功能的实例化、规模确定和终止。
92.本发明实施例提供的意图驱动的空间信息网络任务编排方法包括以下步骤；
93.步骤一，以文本或语音形式输入的空间信息网络任务需求经意图转译后生成五元组形式的意图标准表达式；
94.步骤二，意图管理模块经查询vnfs策略库，结合意图标准表达式输出空间信息网络描述符；
95.步骤三，基础设施感层感知全局网络状态信息并输入意图管理模块，经策略验证优化后输出最优空间信息网络描述符；
96.步骤四，策略配置模块将空间信息网络描述符转换成下层so可识别的形式；
97.步骤五，so指导vnfm进行相应的vnfs实例化、终止、监控和修改操作，并部署在空间信息网络基础设施上。
98.下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
99.如图3所示，本发明实施例提供的虚拟空间信息网络功能实例化的流程包括以下步骤：
100.步骤一，从策略配置器接收sfc描述符，so确定scf的详细组成，以及如何在虚拟化基础架构中部署vnf；对于那些可以部署为虚拟网络框架的sfc组件，so决定将必要的sfc部署模板(服务描述符和vnf描述符)交付给vnfm。
101.步骤二，so向vnfm发送请求，以实例化网络服务。
102.步骤三，vnfm基于从so接收的sfc部署模板实例化空间信息网络服务；为此，vnfm与网络功能虚拟化基础设施接入点的vim进行互动。
103.步骤四，vnfm向so确认网络服务实例化的完成。
104.步骤五，so完成新虚拟卫星网络vsn的运行激活；启动监督程序，以便so监督vsn的运作状况。
105.步骤六，so向用户确认vsn实例化的完成。
106.步骤七，通过交互界面告知用户vsn已投入运营。同时，向用户提供有关实例化设置的详细信息，包括vsn与用户控制和管理系统集成的地址和端口。
107.步骤八，实例化的vsn和用户设备之间的控制和管理连接被建立。
108.如图4所示，本发明实施例提供的意图驱动的空间信息网络任务编排方法实现流程包括：
109.步骤一，用户输入意图，自然语言经意图转译模块转换为五元组形式的意图标准
表达式，其形式为《领域、属性、对象、操作、结果》；
110.其中，领域用于描述卫星任务的类型，属性用于描述卫星任务所属领域的具体特征，如qos需求，对象用于描述卫星任务所针对的对象等，操作用于描述用户期望的卫星行为，即在某个条件约束下，做某个动作，结果用于描述用户希望卫星达到的状态。
111.步骤二，意图引擎生成sfc描述符，具体的：
112.意图保障模块根据当前空间信息网络状态信息预测各卫星的资源利用情况，包括通信资源、计算资源和存储资源；
113.意图管理模块查询策略库，根据空间信息网络任务类型选择合适的vnfs，如空间信息网络执行过该类型任务，则直接选用已有的vnfs以既定的顺序构成sfc；并根据空间信息网络任务属性和各卫星的资源利用率，确定部署vnfs的卫星编号；
114.生成sfc描述符，包括虚拟空间信息网络vsn服务描述符、vnfs描述符；
115.服务描述符包括《name，requirement》，其中name表示空间信息网络任务名称，requirement表示空间信息网络任务需求，包含bandwidth，lantency等sal参数；
116.vnfs描述符《block，satellite id，order，symmetric》；block表示sfc的组件，用于指定sfc中的vnf名称；satellite id表示部署该vnf的卫星标识；order用于指定sfc中各个组件的顺序；symmetric表示是否在两个通信方向遍历所有组件，0为是，1为否。
117.步骤三，onos控制器收集空间信息网络状态信息，包括拓扑信息、链路时延、过顶时间、以及各卫星节点的资源使用情况，包括通信资源、存储资源、计算资源；在部署相邻两个vnfs的卫星之间使用dijsktra算法综合网络状态信息计算出最短路由路径，并添加到服务功能转发路径中。
118.步骤四，osm编排器实现vnf的实例化、终止、监控和修改操作。
119.证明部分(具体实施例/实验/仿真/能够证明本发明创造性的正面实验数据等)
120.该编排方法的仿真验证过程包括：
121.地面用户发布意图：观测墨尔本2021年7月31日02:11:20时刻的地貌特征；对应的服务描述符为：《type:observation》，《location:melbourne；time:2021,07,31,02:11:20》；对应的sfc为：fw-dpi-duplication-fw；
122.leo卫星对北京地面站的时间访问窗如图5所示。
123.如图6所示，实线表示数据传输路径，在所连接的leo卫星节点上部署相应的vnf。
124.其中vnf描述符如下所示：
125.其vnfs描述符为：
126.[0127][0128]
如图7所示，展示了vnf部署后的网络拓扑图。
[0129]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0130]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。