[论文解读] Service Function Chain Routing in LEO Networks Using Shortest-Path Delay Statistical Stability

Li Zeng, Zixin Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2026

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一句话总结

本文提出SA-MSGR，一种在LEO网络中利用多阶段图内的预计算平均最短路径时延来实现更低且更可预测的端到端SFC时延的稳定性感知路由方法，性能优于基线。

ABSTRACT

Low Earth orbit (LEO) satellite constellations have become a critical enabler for global coverage, utilizing numerous satellites orbiting Earth at high speeds. By decomposing complex network services into lightweight service functions, network function virtualization (NFV) transforms global network services into diverse service function chains (SFCs), coordinated by resource-constrained LEOs. However, the dynamic topology of satellite networks, marked by highly variable inter-satellite link delays, poses significant challenges for designing efficient routing strategies that ensure reliable and low-latency communication. Many existing routing methods suffer from poor scalability and degraded performance, limiting their practical implementation. To address these challenges, this paper proposes a novel SFC routing approach that leverages the statistical properties of network link states to mitigate instability caused by instantaneous modeling in dynamic satellite networks. Through comprehensive simulations on end-to-end shortest-path propagation delays in LEO networks, we identify and validate the statistical stability of multi-hop routes. Building on this insight, we introduce the Stability-Aware Multi-Stage Graph Routing (SA-MSGR) algorithm, which incorporates pre-computed average delays into a multi-stage graph optimization framework. Extensive simulations demonstrate the superior performance of SA-MSGR, achieving significantly lower and more predictable end-to-end SFC delays compared to representative baseline strategies.

研究动机与目标

• 在动态LEO星座中，受限的机载计算资源下推动基于NFV的服务交付。
• 研究LEO网络中最短路径时延的统计稳定性。
• 开发可扩展的路由算法，利用时延稳定性来支持SFC。
• 对SA-MSGR相对基线策略进行评估，以证明改进的时延和可预测性。

提出的方法

• 通过Walker Delta LEO星座的仿真，演示成对以及多跳最短路径时延的统计稳定性。
• 提出SA-MSGR，使用离线预计算的平均时延 D^tx 的 0(D^tx) 和一个多阶段图来路由SFC。
• 构建一个多阶段图，阶段对应VNF，并使用预计算的平均值作为边权。
• 通过在有向无环图（DAG）上使用动态规划找到最短路径来计算最优SFC路由。
• 分析在线复杂度为每个请求 O(M d7 S_max^2)，避免时间扩展图的可扩展性问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 对成对最短路径时延 D^tx(u,v,t) 在LEO网络中是否表现出统计稳定性（变异系数低）？
• RQ2 对于更长的多跳SFC路径（更大的M），稳定性是否提高？
• RQ3 使用预计算平均值的基于稳定性的路由方法是否能够达到或超过基于时间扩展或快照的方法在端到端SFC时延上的表现？
• RQ4 对于现实的SFC长度和VNF规模，SA-MSGR是否具备可计算性可扩展性？

主要发现

• 大量卫星对之间存在较低的相对时延波动；70%的CV≤0.2，90%的CV≤0.3。
• 平均路径时延的CV随SFC长度M的增加而降低，从0.099（M=1）降至0.028（M=20）。
• SA-MSGR在测试的M值下始终实现最低的平均端到端SFC时延，且接近理论的TEG基方法。
• SA-MSGR提供高度稳定的时延分布，IQR窄且胡须更短，相较于基于快照的方法。
• Greedy-Cp通常优于Greedy-Tx，Random表现最差；SA-MSGR和基于快照的方法总体上优于这些启发式方法。
• 通过将优化离线化并在MSG上使用DAG最短路径，在线路由复杂度得到降低。