基于SDN的工業無線網絡低時延高可靠路由機制

曹健 王藝潼 張澤梁 高靜

摘 要：為了滿足工業無線網絡中數據傳輸的實時性和可靠性需求，提出基于SDN的工業無線網絡低時延高可靠路由機制。控制器根據數據包的實時需求計算轉發路徑，當網絡中節點故障或鏈路質量變化較大時，控制器重新進行路由決策。仿真實驗表明，該路由機制有效地保證了數據的實時傳輸，提高了網絡的靈活性。

關鍵詞：工業無線網絡；工業4.0；路由機制；SDN

1 緒論

先進的信息和通信技術（ICT，Information and Communication Technology）推動了第四次工業革命的發展。工業無線網絡能夠在復雜的工業環境中為現場設備提供寬帶的無線數據鏈路，提高了網絡的管理和維護效率，它是新一輪工業革命的重要基礎。[1]

路由協議是工業無線網絡研究的關鍵技術之一。在工業無線網絡中包含大量資源受限的無線節點，它們往往處在高溫、高危和高腐蝕等非常復雜的通信環境中，對數據傳輸的實時性和可靠性要求比較高，因此研究工業無線網絡的低延時高可靠路由機制具有迫切性和重要性。

軟件定義網絡（SDN，Software Defined Network）是一種新型的網絡體系結構，它分離了控制平面和數據平面，由控制平面基于全網視圖集中管理網絡，可以優化網絡的路由決策，因此本文基于SDN思想，提出工業無線網絡低延時高可靠路由機制。

2 相關工作

關于工業無線網絡，學術界開展了大量研究。文獻[2]提出基于ISA100.11a標準的工業認知無線傳感器網絡路由算法，能有效提高網絡吞吐量并降低端到端延遲；文獻[3]分析了基于WirelessHART標準的端到端通信延遲，通過計算得出了延遲的時間范圍。SDN是近年來學術界研究熱點。文獻[4]和文獻[5]分別把SDN應用到了移動接入網和無線傳感器網絡。目前基于SDN的思想實現工業無線網絡的路由機制十分罕見。

3 路由機制

3.1 網絡模型

工業無線網絡可以用有向圖G=（V，E）表示，其中，V表示節點的集合，E表示無線鏈路的集合。網絡中的節點分為啞終端節點、轉發節點和SDN控制器。啞終端節點沒有轉發能力，它將感知到的數據通過轉發節點傳輸到網絡中；轉發節點在控制器的管理下對數據包進行轉發；SDN控制器能夠基于網絡的全局視圖分配網絡資源和優化路由策略。

3.2 路由機制設計

控制器通過周期的拓撲發現收集網絡中所有節點和鏈路的狀態信息，建立全局的網絡拓撲結構，接下來根據數據包的實時需求以及轉發節點的可靠性計算轉發路徑，然后將新的路由規則下發給轉發節點。當轉發節點接收到數據包以后，按照控制器下發的路由規則轉發數據包。網絡運行一段時間以后，轉發節點將新的節點和鏈路狀態信息發送給控制器，便于控制器對全網信息的及時掌控，當網絡中鏈路質量變化較大或者有轉發節點發生故障時，控制器需要重新計算轉發路徑，及時更新轉發節點中的路由規則。

3.2.1可靠性計算

轉發節點i的可靠性估計值Ri通過轉發成功率Fi和傳輸成功率Ti得出，[6]如公式1所示，

3.2.2路由決策

控制器以轉發節點i和j間的傳輸延時di，j為度量，采用Dijkstra算法計算轉發節點i到任意接入節點ak（網絡中存在多個接入節點）的最短路徑，如果轉發節點有多條路徑滿足應用的實時傳輸需求，則依次計算每條路徑中轉發節點的可靠性，選取可靠性高的轉發路徑下發給轉發節點，滿足數據實時傳輸需求的同時提高數據傳輸的可靠性。

4 仿真實驗

在 Linux 環境下基于 OMNET++仿真平臺對提出的路由機制仿真實驗，與LEACH協議和圖路由協議進行對比分析，本文提出的路由機制在保證網絡數據傳輸的實時性和可靠性方面具有較好的性能。

5 總結

本文提出了基于SDN的工業無線網絡實時可靠的路由機制。SDN控制器擁有全局的網絡視圖，根據數據傳輸需求選擇低時延高可靠的路徑，當網絡中節點故障和鏈路質量發生變化時，控制器重新進行路由決策，有效提高了網絡的靈活性。仿真實驗表明，該路由機制在提供實時服務方面表現出較好的性能。

參考文獻：

[1]曹健，高靜.面向智能制造的工業無線網絡研究[J].科學技術創新，2017（30）：95-96.

[2]Pham Tran Anh Quang，Dong-Seong Kim.Throughput-Aware Routing for Industrial Sensor Networks：Application to ISA100.11a[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics，2014，10（1）：351-363.

[3]Abusayeed Saifullah，You Xu，Chenyang Lu，Yixin Chen.End-to-End Communication Delay Analysis in Industrial Wireless Networks[J].IEEE Transactions on Computers，2015，64（5）：1361-1374.

[4]GUDIPATI A，PERRY D，LI E L，et al.SoftRAN：software defined radio access network[C].ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Software Defined NETWORKING.ACM，2013：25-30.

[5]GALLUCCIO L，MILARDO S，MORABITO G，et al.SDN-WISE：Design，prototyping and experimentation of a stateful SDN solution for wireless sensor networks[C].INFOCOM，IEEE，2015：513-521.

[6]王艷妹，覃少華，曹健，等.多媒體傳感器網絡中跨層優化的實時路由協議[J].計算機工程，2009，35（22）：106-108.

作者簡介：第一作者曹健（1984-），男，講師，研究方向：無線網絡、認知計算等。

通訊作者：高靜（1985-），女，博士，北華大學，研究方向：網絡優化算法。