英语原文共 12 页
基于sdn的无线传感器网络和演员网络应用框架
周建国1,2，郝江1,2，景武1,2，(IEEE成员)，武丽华1,2，
朱春生3 (IEEE学生会员)，李文祥4 (IEEE会员)
1武汉大学电子信息学院，武汉430072
2地理空间技术协同创新中心，武汉430079
3不列颠哥伦比亚大学电气与计算机工程系，温哥华，BC V6T 1Z4，加拿大，武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉430081
摘要：无线传感器与行为体网络(WSAN)由多个传感器节点和行为体节点组成，可以协同处理复杂的任务，是实现多种应用的良好平台。然而，许多问题，包括节点的移动性、容量的异构性、拓扑结构和能源消耗，都可能给WSAN的高效运行带来严峻的挑战。目前，软件定义网络(SDN)作为一种新型的网络管理和优化方法出现在可编程和集中模式中。本文研究了SDN方法在WSAN中的应用框架和相关方法，旨在提高网络的效率和可扩展性。该框架的细节包括一个三层结构、相关的系统实体、增强的协议栈以及用于WSAN节点之间协作通信和任务执行的可编程消息类型。在此框架的基础上，本文从机动性、节能、可靠性维护、拓扑结构构建等多个方面探讨了系统有效管理的相关挑战和机制。并以遗传算法为例，提出了一种将分解任务调度到相关节点的优化方法。接下来，本文展示了典型的应用场景，包括军事、工业、交通和环境灾难监测。通过室内应用场景和室外应用场景演示了sdn辅助通信切换的应用。最后，讨论了WSAN中SDN网络的发展趋势和面临的技术挑战。
关键词：软件定义的网络，无线传感器和演员网络，可扩展性，网络管理，任务调度，协议栈。
简介
无线传感器与行为网络(WSANs)[1]、[2]由大量的传感器节点和行为节点组成。WSAN不仅可以从外部环境中收集实时信息，还可以主动地对环境做出响应，以实现复杂的任务或应用程序。因此，WSAN在交通、工业、军事、医疗、环保等诸多领域具有潜在的应用价值。通常，节点存在三种基本的协作通信模式在WSAN中，包括传感器对传感器(SS)、传感器对参与者(SA)和参与者对参与者(AA)[4]、[5]。SA沟通强调一个实际的选择路径之间的数据包传输传感器和演员,关键在于选择合适的传感器和演员集合。AA沟通强调决策节点的行为和他们的程序,关键在于正确地安排任务执行的演员。这些面向任务的通信模式对[6]有很多性能要求，包括:
1)实时行动;
2)能耗低;
3)选择合适的节点消除冗余消息，执行[7];
4)任务执行的正确顺序;
5)保证传感结果和执行结果[8]的有效可靠传输。
WSAN中的节点以分布式方式运行，使得从全局角度控制传感对象、模式和协作通信的起始时间变得困难。这些节点还可能导致频繁的通信冲突，从而导致高能耗、低可靠性和大延迟[9]。此外，节点的动态行为(包括加入和退出)很难被其他节点识别。此外，所有节点都很难获得其状态和函数[10]的同步更新。这些问题导致网络规模和性能的可伸缩性下降。
软件定义网络(SDN)[11]，[12]源于斯坦福大学Clean Slate项目。基于多层的思想，SDN将原本集成在一个节点上的转发控制和数据传输两种功能分离开来。在控制平面上，逻辑集中、可编程的SDN控制器控制着全球网络的信息，便于研究人员和操作人员对网络进行管理和部署新的协议。此外，在数据平面上，节点只实现简单的数据包转发功能，使得整个网络能够轻松处理不断增加的流量。两个平面之间存在开放统一的交互界面。SDN控制器可以通过这些接口将统一的转发规则发送到数据平面上的节点，这些节点仅根据相关规则处理任务请求。因此，SDN可以对通信基础设施进行有效的控制，降低转发节点的处理负荷。此外，SDN具有可编程的功能开发接口，可以与传统网络兼容，实现网络的实时更新和优化。
将SDN方法应用于WSAN，可以实现对相关节点协同通信和任务执行全过程的最优控制和调度，从而提高WSAN的效率/可靠性，降低能耗。此外，SDN控制器可以提供许多功能来控制移动WSAN节点，并基于开放的编程接口添加新的功能;因此，SDN可以在规模和功能上提高WSAN的可扩展性。目前，由于这方面的工作很少，本文探讨了利用SDN对WSAN进行优化的框架和方法。这项工作的主要贡献如下。
1)为了利用SDN的优点来解决WSAN中的上述挑战，我们提出了一个支持SDN的WSAN框架，并描述了相关的细节框架的实现，包括实体、协议栈和消息类型定义。
2)基于上述框架，我们从机动性、能量、可靠性、拓扑结构等多个方面探讨了优化系统管理的挑战和相应措施。针对不同的性能优化目标，设计了一种基于遗传算法的任务驱动调度策略。
3)基于上述框架，提出了典型的应用场景和未来的技术挑战。提出了视频点播服务的室内应用场景和水质监测的室外应用场景，并应用SDN控制实现转发节点的智能切换。结果表明，该框架能够有效地控制移动客户端连接到新的中继节点的传递过程。
本文的其余部分组织如下。第二部分讨论了目前无线传感器网络中与sdn相关的工作。第三节描述了支持sdn的wsan的框架实体、消息类型和协议栈。第四部分探讨了有效的系统管理所面临的挑战和对策。第五部分探讨了基于sdn的调度方法的模型和实现。第六部分讨论了典型的应用场景，并介绍了sdn辅助连接切换的实验。最后，第七部分提出了WSAN中SDN未来的发展趋势和面临的挑战。
相关著作
目前，关于SDN方法在无线传感器网络(WSN)中的应用的研究文献较少。roet al.[13]采用了一种激进的、向后的、对等兼容的方法来解决WSN固有的问题，提出了一种WSN的软件定义架构，并解决了其核心组件的关键技术挑战，即、传感器OpenFlow。这项工作代表了软件定义网络和WSN的首次协同工作。
针对无线传感器网络中的智能系统管理，De Gante等人设计了一个通用的无线传感器网络软件框架。本文在基站上实现了SDN控制器。此外，De Gante等人还讨论了未来需要处理的一些重要问题，包括网络状态的同步、分布式控制器的必要性、中央控制器的安全性以及Openflow[15]的适用性。
Qin等人在物联网环境下实现了一种软件定义方法。该方法旨在为异构环境下的不同物联网任务提供预先设置的服务等级。此外，SDN控制器的构建基于一个反应性中间件，如图1所示。的多网络信息体系结构(MINA)，实现了一个闭环的
图1所示。物联网控制器体系结构[16]。
“观察、分析和适应”。SDN控制器可以根据不同的任务等级和异构的自组织路径调度不同的流量，并基于改进的智能算法提高物联网服务资源的利用率。相关原型系统已应用于自动驾驶、智能电网、电子收费等领域。
Leonardo等人对SDN在物联网中的应用前景进行了分析;相关的应用场景包括多媒体传输、智能家居、移动网络、虚拟化、安全性、可靠性和恢复。讨论了实现这些应用程序的相关挑战，包括控制平面和数据平面的功能集成、软硬件功能的平衡、安全性、从当前体系结构到支持SDN的体系结构的转换以及SDN控制器部署的位置和数量。
在[18]中，设计了一种基于sdn的睡眠调度算法(标记为SDN-ECCKN)来管理网络的能量消耗。在该算法中，每个计算都在SDN控制器中实现，而不是在传感器本身中实现，并且任何两个节点之间不存在广播消息，这是传统EC-CKN方法的主要特点。SDN-ECCKN方法的评价结果显示了其在能源管理方面的优势，相关性能指标包括网络寿命、网络中单独节点的数量和活节点的数量。
考虑到负载均衡和能耗问题，Han和Ren[19]提出了一种基于Openflow的WSN优化方法，如图2所示。该方法将整个无线传感器网络划分为多个簇，每个簇都有一个簇头。全局SDN控制器的功能包括转发策略的决策、簇头的控制和路径的构建。
对于SDN环境，Savarese等人[20]提出了一种由M2M技术监控的蜂窝网络架构，如图3所示。在该体系结构中，M2M设备提供上下文信息并发送感知信号，SDN控制器负责用户数据流的重定向和资源的灵活重构。
图3。SDN控制蜂窝结构[20]。
考虑两个用例，即[21]描述了如何有效地使用SDN来解决服务提供商在控制当前网络的动态本质方面所面临的挑战。在North Bound api的帮助下，这些方法和其他相关服务可以应用于各种场景，包括企业网关、无线网络、服务提供者和数据中心，从而动态地对网络进行编程，使其更快、更敏捷。
一个基于tinyoss的SDN框架，为WSN启用多个控制器，即， TinySDN在[22]中给出。该框架由两个主要组件组成:SDN控制器节点和支持SDN的传感器节点，其中SDN控制器节点负责控制平面的编程，SDN传感器节点包括SDN交换机和SDN端设备。TinySDN的开发和实现是独立于硬件的。在COOJA模拟器上进行了仿真实验，给出了内存占用和延迟的计算结果。
目前，在WSAN中，SDN的设计工作还很少。本文探讨了基于sdn的解决通信冲突和可扩展性问题的方法。
体系结构和功能
A.框架和实体的描述
将SDN应用于WSAN，在考虑垂直可伸缩性时，应遵循三个原则。
原则1:控制平面保留控制功能，但能提高处理效率，适应数据平面软硬件需求，符合SDN演进趋势的控制功能除外。
原理2:控制函数不能改变数据平面的基本过程，以保证SDN网络设备的通用性。
原理3:在数据平面上收集统计量不会影响数据的准确性和有效性，也不会造成控制平面上的高负荷。
图4。基于SDN的WSAN框架。
基于sdn的三层WSAN框架如图4所示，其特征由数据平面与应用平面之间的控制平面表示。在控制平面上，SDN控制器代替分布式wsan节点对数据包转发进行控制。
下面描述来自WSAN的相关实体。
1)水槽节点。节点驻留在数据平面中，负责消息收集和数据融合。根据其协议集和接口集，将整个WSAN划分为多个通信集群。
2)传感器节点。节点驻留在数据平面中。节点的功能包括感知任务执行状态和环境状态，并将状态信息转发给相关参与者。
3)演员节点。节点驻留在数据平面中。该节点的功能包括从传感器节点接收状态信息，协同或独立执行，并将执行结果返回到上层。
用户的相关实体描述如下。
4)任务。任务在应用程序平面中生成并发送到控制平面。任务的属性由用户指定，包括容量、类型、延迟限制等。
5)子任务。每个任务由几个子任务组成。作为任务的基本组件，每个子任务都由一个参与者节点处理。
控制平面的相关实体为:
6)北接口。接口接收并分析来自应用程序平面的传入任务请求，并根据指定的流程将每个任务分解为几个相关的子任务。north接口还可以将任务执行的响应返回到应用程序平面。
7)调度引擎。调度引擎根据应用程序平面上的任务/子任务需求和数据平面上节点的负载状态，选择合适的传感器或参与者节点的数量和类型，并设置它们的协作行为，以获得所需的整体性能。
8)云情报。该实体提供知识库和决策函数，用于在north接口中分解任务，并在调度引擎中调度子任务。
9)SDN控制器。基于调度引擎的决策，SDN控制器的功能包括控制数据平面内的传输流和执行系统管理功能。
10)南接口。该接口分析用于任务执行、来自调度程序的通信和感知的各种命令，并为相关传感器和参与者节点生成控制消息。此外，南方接口还应接受和分析任务执行状态信息(包括相关设施、产品和进度)和网络状态信息(包括可用协议、链接、接口和节点)。
11)开发平台。开发平台具有友好、灵活的编程接口，使系统开发人员或管理员能够根据用户的具体需求设计和改进相关实体的功能。
这样，数据平面中的实体就不需要关心端到端路由的发现、决策和维护。因此，大量的数据流量被尽可能地限制在数据平面内。根据收集到的流量统计数据，SDN控制器可以获得网络状态的全局视图，并为所有正在进行的任务实例选择所需的不相交传输路径;因此，它可以减少通信冲突和冗余包的传输。
B .消息类型
实现基于sdn的WSAN框架的详细消息类型如下。
1)用户的请求。保存任务描述后，用户的请求由用户指定并发送到控制平面。
2)结果的反应。结果响应从控制平面发送给用户，并保存任务执行的响应。
3)执行状态。执行状态包含任务/子任务和相关实体的状态，即、传感器和参与者。此外，这些状态定期或按需从数据平面中的实体发送到南接口。
4)网络状态。网络状态保存着通信实体的状态、流量流以及相关的通信资源，即。、协议、接口、带宽和能量。此外，这些状态定期或按需从数据平面中的实体发送到南接口。
5)控制信息。SDN控制器的控制信息发送的实体数据平面,包括参与者的设置、开始时间和对重要的行为模式(通信、传感和执行),节点的路由表的修改和设置节点的状态(工作或睡觉)。
6)数据。数据是传感器和参与者之间执行任务的信息。
开发平台可以动态定义消息类型并根据需要设置它们的参数。
C.协议栈
传统的WSAN协议栈[23]结构如图5所示。在这个结构中，协作平面与五个协议层交互，并决定节点如何响应命令。管理平面还
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