軟件定義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)探討

何勇男

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和計算平臺中常用的信息技術(shù)。當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)計算應(yīng)用對強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能提出了更高的要求。如何有效管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然是一個挑戰(zhàn)，因而提出了軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（SDWSN）來改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，以提高軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);軟件定義網(wǎng)絡(luò);軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP212.9? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）21-0042-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

WSNs是廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、大氣監(jiān)測、過程監(jiān)測、材料傳感、安全應(yīng)用等領(lǐng)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)部署，這在本質(zhì)上為應(yīng)用程序提供了機(jī)會，即使是在不可訪問的地區(qū)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的這一特性允許在直覺區(qū)域部署大量傳感器，只要能夠在這些傳感器節(jié)點(diǎn)之間建立和維持通信就可以。WSN包括但不限于：一個WSN服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、傳感器節(jié)點(diǎn)等。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 路由協(xié)議

為了改善WSN系統(tǒng)的操作和應(yīng)用，已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用了幾種訪問和路由協(xié)議，包括但不限于：媒體訪問控制協(xié)議，其主要策略是降低能耗，因為WSN系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)是由電池供電的，因此網(wǎng)絡(luò)壽命有限;低能量自適應(yīng)聚類層次結(jié)構(gòu)協(xié)議是提出一定層次數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)協(xié)議，也是實現(xiàn)分層WSNs低功耗策略的重點(diǎn);自組織按需向量路由協(xié)議的主要目標(biāo)是減少引起網(wǎng)絡(luò)開銷的數(shù)據(jù)包泛濫。

該協(xié)議的關(guān)鍵功能有利用路由表存儲路由信息;信息協(xié)商傳感器協(xié)議基于傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)商，允許數(shù)據(jù)傳輸和資源適應(yīng)機(jī)制的節(jié)能;地理和能量感知路由協(xié)議基于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量和位置，位于它們向目標(biāo)區(qū)域的傳輸路徑上，促進(jìn)了能量和距離之間的平衡。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

I星型拓?fù)洌涸谶@種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，傳感器節(jié)點(diǎn)只通過中心設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。除中心設(shè)備外，任何傳感器節(jié)點(diǎn)的故障都不會影響網(wǎng)絡(luò)或其他傳感器節(jié)點(diǎn)。

II樹狀拓?fù)洌焊咝У貎?yōu)化功耗或擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通信范圍。在由于網(wǎng)絡(luò)被劃分為分支或段，所以這種體系結(jié)構(gòu)可以很容易地管理或維護(hù)。如果根節(jié)點(diǎn)失敗，下面的結(jié)構(gòu)也會失敗。

III網(wǎng)格拓?fù)洌哼B接同一無線電或通信范圍內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。為了到達(dá)遠(yuǎn)的目標(biāo)設(shè)備，數(shù)據(jù)通過鄰近的節(jié)點(diǎn)傳輸，但如果一個節(jié)點(diǎn)失敗，其他傳感器節(jié)點(diǎn)有很多路徑選項來成功傳輸數(shù)據(jù)。

IV異構(gòu)拓?fù)洌哼@是上述兩種或兩種以上拓?fù)涞慕M合形式。這種網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)在某種程度上是可靠的、可伸縮的、靈活的和有效的，實現(xiàn)成本高。

1.3 WSN的挑戰(zhàn)

盡管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其簡單的部署和成本效益而廣受歡迎，但鑒于其資源受限的性質(zhì)，管理它們是一項困難的任務(wù)。從根本上說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被大規(guī)模部署，數(shù)以百萬計的無線傳感很器節(jié)點(diǎn)將協(xié)同工作，傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并連接到互聯(lián)網(wǎng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用是由于這些系統(tǒng)價格低廉且易于實現(xiàn)。然而，實施這些技術(shù)的成本取決于它們的范圍（就規(guī)模和目的而言）。由于WSN技術(shù)的可購性、易于擴(kuò)展、不符合特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素，可以將WSN技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)范式的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

2.1 SDN框架

SDN是一個框架，將控制平面和數(shù)據(jù)平面自動允許網(wǎng)絡(luò)管理員和動態(tài)管理和控制大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交通道路、服務(wù)質(zhì)量（QoS）和包處理政策使用高級編程語言和應(yīng)用程序編程接口（api）的選擇。

網(wǎng)絡(luò)中SDN的核心策略就是盡可能地將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可視化得更加清晰和全面：讓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商更容易地學(xué)習(xí)和理解網(wǎng)絡(luò)，讓運(yùn)營商能夠快速針對特定的網(wǎng)絡(luò)問題提出最相關(guān)的措施，鼓勵計算網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新，為未來的需求做準(zhǔn)備或滿足未來的需求，允許方便地訪問網(wǎng)絡(luò)資源，以便在必要時操縱它們，改進(jìn)對計算網(wǎng)絡(luò)的觀察或可視化方式，從而使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商能夠方便地管理和維護(hù)鄰近的網(wǎng)絡(luò)資源。

一個良好的兼容和結(jié)構(gòu)化的面向SDN的網(wǎng)絡(luò)旨在實現(xiàn)上述戰(zhàn)略目標(biāo)，以提高整體網(wǎng)絡(luò)計算能力。在這個概念中，一個基于SDN的WSN主要是為了提高其計算能力，SDN方法的要求得到了觀察和滿足。因此，基于SDN提出的設(shè)置，可以從根本上降低WSNs的資源限制性質(zhì)。

2.2 SDN與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（非SDN網(wǎng)絡(luò)）的比較

多年來，傳統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略已證明是可靠的，成功實現(xiàn)了大型、中型和小型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。在當(dāng)今對強(qiáng)大系統(tǒng)的技術(shù)需求中，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)計算方法在效率和管理方面面臨著困難。因此，網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中難以實現(xiàn)。這主要因為除了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是專有的，網(wǎng)絡(luò)控制還在每個轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上實現(xiàn)，因此很難訪問和操作這些硬件的功能。

在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中采用SDN仍然是一個艱難的決定，甚至是一個艱難的步驟，因為SDN在計算網(wǎng)絡(luò)中仍然是一個新的知識，在這種網(wǎng)絡(luò)中采用SDN還處于試驗階段。圍繞SDN還有很多工作需要做，比如關(guān)于來自不同供應(yīng)商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互操作性的問題，SDN基礎(chǔ)設(shè)施的全面戰(zhàn)略，以及至少對安全SDN網(wǎng)絡(luò)的倡導(dǎo)。因此，在實現(xiàn)上述SDN技術(shù)的各個方面后，采用SDN作為網(wǎng)絡(luò)計算改進(jìn)和創(chuàng)新的努力將會得到顯著的推進(jìn)。

3 軟件定義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（SDWSN）

3.1 SDWSN概述

作為實施可以解決WSN應(yīng)用系統(tǒng)挑戰(zhàn)的SDWSN系統(tǒng)的方向，已經(jīng)確定了幾個關(guān)鍵要素，作為拒絕這些基本限制的可能解決方案，例如：需要為WSN系統(tǒng)開發(fā)面向軟件的協(xié)議;開發(fā)軟件注入技術(shù)以支持傳感器網(wǎng)絡(luò)編程抽象的過程，這將影響開放式可編程傳感器的制造平臺;開發(fā)高度加密軟件的過程用于保護(hù)控制和數(shù)據(jù)平面的定向算法;開發(fā)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和表示的軟件策略;開發(fā)用于訪問和更新傳感器屬性的控制器應(yīng)用策略，以最好地適應(yīng)不同的應(yīng)用需求和操作參數(shù)。

SDWSN還旨在通過調(diào)節(jié)傳感器和其他網(wǎng)絡(luò)資源工作負(fù)載，針對數(shù)據(jù)流量和計算，為廣泛的WSN計算系統(tǒng)引入面向軟件的策略的簡化實現(xiàn)。一個改進(jìn)的位置是，由于傳感器屬性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，WSN中的資源管理和過程控制非常困難，因此SDN旨在通過簡化整個網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施為WSN帶來便捷的控制機(jī)制。如圖2所示的SDWSN策略包括：場傳感器簇，其部署在遠(yuǎn)程環(huán)境上以進(jìn)行現(xiàn)象感測，使得群集直接連接到無線宿傳感器節(jié)點(diǎn)。該架構(gòu)由以下部分組成;集中式SDN控制器，OpenFlow Switch，匯聚節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)形成傳感器集群。 SDN控制器通過OpenFlow交換機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的全局視圖以及匯聚節(jié)點(diǎn)和所有相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)。

3.2 SDWSN優(yōu)勢

由于最近無線通信和計算技術(shù)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的增長，許多這樣的用于WSN的應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)被原型化并且一些部分開發(fā)并且繼續(xù)被測試以獲得有效的性能。但是，功能虛擬化和應(yīng)用程序自動化等挑戰(zhàn)仍然是實現(xiàn)動態(tài)和高效WSN應(yīng)用程序的嚴(yán)重問題。SDWSN是這些問題的潛在解決方案，因為它提出了一種獨(dú)立于底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可編程控制。

SDWSN指的是需要將操作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)制與底層垂直集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離的網(wǎng)絡(luò)范例。通過將SDN技術(shù)引入WSN，傳感器節(jié)點(diǎn)將僅執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，而計算密集型任務(wù)將由控制器執(zhí)行而不影響整個網(wǎng)絡(luò)的總體能量消耗。好處是控制器不會受資源限制，因為它在與傳感器節(jié)點(diǎn)相比具有更多資源的機(jī)器上運(yùn)行。此外，控制器將具有網(wǎng)絡(luò)的全局視圖，能夠基于網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息做出最佳路由決策。

4 未來發(fā)展與結(jié)論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的SDN方法是一個很有前景的方向，因為這種方法將極大地改進(jìn)這些應(yīng)用系統(tǒng)。就未來而言，提出以下研究方向：用于多控制器傳感器集群的SDN控制器虛擬化;增強(qiáng)的全球網(wǎng)絡(luò)體驗：北向接口通信的改進(jìn);用于高效設(shè)備訪問和控制器通信的南向接口優(yōu)化;用于傳感器集群中的運(yùn)行時和計算開銷的SDN策略。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張朝昆，崔勇，唐翯翯，等.軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報，2015，26（01）：62-81.

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