何勇男

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算平臺(tái)中常用的信息技術(shù)。當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算應(yīng)用對(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，因而提出了軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和軟件定義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（SDWSN）來(lái)改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，以提高軟件定義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

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

中圖分類號(hào)：TP212.9? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）21-0042-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

WSNs是廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)、過(guò)程監(jiān)測(cè)、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(wú)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(huì)，即使是在不可訪問(wèn)的地區(qū)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的這一特性允許在直覺(jué)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(gè)WSN服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、傳感器節(jié)點(diǎn)等。

1 無(wú)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用了幾種訪問(wèn)和路由協(xié)議，包括但不限于：媒體訪問(wèn)控制協(xié)議，其主要策略是降低能耗，因?yàn)閃SN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(shí)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(kāi)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(chǔ)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(guò)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(huì)影響網(wǎng)絡(luò)或其他傳感器節(jié)點(diǎn)。

II樹(shù)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(huì)失敗。

III網(wǎng)格拓?fù)洌哼B接同一無(wú)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(guò)鄰近的節(jié)點(diǎn)傳輸，但如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)失敗，其他傳感器節(jié)點(diǎn)有很多路徑選項(xiàng)來(lái)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(shí)現(xiàn)在某種程度上是可靠的、可伸縮的、靈活的和有效的，實(shí)現(xiàn)成本高。

1.3 WSN的挑戰(zhàn)

盡管無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其簡(jiǎn)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(xiàng)困難的任務(wù)。從根本上說(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被大規(guī)模部署，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的無(wú)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(wú)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(jià)格低廉且易于實(shí)現(xiàn)。然而，實(shí)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(gòu)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(gè)框架，將控制平面和數(shù)據(jù)平面自動(dòng)允許網(wǎng)絡(luò)管理員和動(dòng)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(jí)編程語(yǔ)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(yíng)商更容易地學(xué)習(xí)和理解網(wǎng)絡(luò)，讓運(yùn)營(yíng)商能夠快速針對(duì)特定的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題提出最相關(guān)的措施，鼓勵(lì)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新，為未來(lái)的需求做準(zhǔn)備或滿足未來(lái)的需求，允許方便地訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源，以便在必要時(shí)操縱它們，改進(jìn)對(duì)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的觀察或可視化方式，從而使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠方便地管理和維護(hù)鄰近的網(wǎng)絡(luò)資源。

一個(gè)良好的兼容和結(jié)構(gòu)化的面向SDN的網(wǎng)絡(luò)旨在實(shí)現(xiàn)上述戰(zhàn)略目標(biāo)，以提高整體網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能力。在這個(gè)概念中，一個(gè)基于SDN的WSN主要是為了提高其計(jì)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(lái)，傳統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略已證明是可靠的，成功實(shí)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(duì)強(qiáng)大系統(tǒng)的技術(shù)需求中，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(shí)現(xiàn)。這主要因?yàn)槌司W(wǎng)絡(luò)設(shè)備是專有的，網(wǎng)絡(luò)控制還在每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，因此很難訪問(wèn)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(gè)艱難的決定，甚至是一個(gè)艱難的步驟，因?yàn)镾DN在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中仍然是一個(gè)新的知識(shí)，在這種網(wǎng)絡(luò)中采用SDN還處于試驗(yàn)階段。圍繞SDN還有很多工作需要做，比如關(guān)于來(lái)自不同供應(yīng)商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互操作性的問(wèn)題，SDN基礎(chǔ)設(shè)施的全面戰(zhàn)略，以及至少對(duì)安全SDN網(wǎng)絡(luò)的倡導(dǎo)。因此，在實(shí)現(xiàn)上述SDN技術(shù)的各個(gè)方面后，采用SDN作為網(wǎng)絡(luò)計(jì)算改進(jìn)和創(chuàng)新的努力將會(huì)得到顯著的推進(jìn)。

3 軟件定義的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（SDWSN）

3.1 SDWSN概述

作為實(shí)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(gè)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(kāi)發(fā)面向軟件的協(xié)議;開(kāi)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(guò)程，這將影響開(kāi)放式可編程傳感器的制造平臺(tái);開(kāi)發(fā)高度加密軟件的過(guò)程用于保護(hù)控制和數(shù)據(jù)平面的定向算法;開(kāi)發(fā)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和表示的軟件策略;開(kāi)發(fā)用于訪問(wèn)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(guò)調(diào)節(jié)傳感器和其他網(wǎng)絡(luò)資源工作負(fù)載，針對(duì)數(shù)據(jù)流量和計(jì)算，為廣泛的WSN計(jì)算系統(tǒng)引入面向軟件的策略的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)。一個(gè)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(guò)程控制非常困難，因此SDN旨在通過(guò)簡(jiǎn)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施為WSN帶來(lái)便捷的控制機(jī)制。如圖2所示的SDWSN策略包括：場(chǎng)傳感器簇，其部署在遠(yuǎn)程環(huán)境上以進(jìn)行現(xiàn)象感測(cè)，使得群集直接連接到無(wú)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(guò)OpenFlow交換機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備維護(hù)整個(gè)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(shì)

由于最近無(wú)線通信和計(jì)算技術(shù)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的增長(zhǎng)，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(kāi)發(fā)并且繼續(xù)被測(cè)試以獲得有效的性能。但是，功能虛擬化和應(yīng)用程序自動(dòng)化等挑戰(zhàn)仍然是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和高效WSN應(yīng)用程序的嚴(yán)重問(wèn)題。SDWSN是這些問(wèn)題的潛在解決方案，因?yàn)樗岢隽艘环N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(wú)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(guò)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(jì)算密集型任務(wù)將由控制器執(zhí)行而不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總體能量消耗。好處是控制器不會(huì)受資源限制，因?yàn)樗谂c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(lái)發(fā)展與結(jié)論

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的SDN方法是一個(gè)很有前景的方向，因?yàn)檫@種方法將極大地改進(jìn)這些應(yīng)用系統(tǒng)。就未來(lái)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(yàn)：北向接口通信的改進(jìn);用于高效設(shè)備訪問(wèn)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(shí)和計(jì)算開(kāi)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(bào)，2015，26（01）：62-81.

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