基于向量网的软件定义无线传感器网络研究

【摘要】：近年来,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)作为物联网的核心技术广泛应用在航空、军事、反恐、救灾、环境、工业、医疗及家居等领域,然而大部分WSN专网专用,普适性较差,在WSN架构、效率、能耗方面有很大改进空间。已构建的网络多用于完成特定的任务,如需完成另一任务,就需要重新部署一个全新网络,造成网络底层物理设备复用率低,WSN资源浪费,网络通用性和多任务性差。另一方面,对于单个WSN节点,能量供给、计算和存储资源有限,需要提高节点使用寿命,降低节点功耗。由于单个WSN节点的资源受限性,网络必须平衡负载,延长单个节点的使用寿命,从而延长整个网络寿命。本文将软件定义网络(Software Defined Network,SDN)及向量网(Vector Nerwork,VN)相关技术引入到WSN领域,在向量网架构基础上设计了基于SDN的WSN网络(VN-based WSN,VN-WSN)架构,分离数据面、控制面和管理面。参照向量地址定义,设计了向量转发算法、多路径传输机制及路径恢复算法。提出了基于SDN和VN技术的VN-WSN构建算法及基于向量转发的源端数据转发策略,并对构建的模型进行分析,对提出的算法进行实验仿真。基于SDN和VN技术部署VN-WSN,使端系统和通信网络可编程,实现一个VN-WSN网络可提供多种应用业务服务,从而共享网络资源。本文取得的主要研究成果如下:(1)提出了一种基于SDN和向量网技术的WSN网络架构,即VN-WSN。网络架构主要由解耦的数据面和控制面构成,数据面由传感器节点执行,依据控制策略进行数据转发。控制面由分布式的控制器执行,负责网络拓扑维护及管理等工作,如拓扑发现、多路径路由等。优化网络地址,引入多标识,采用向量网三标识架构:身份标识/位置标识/路径标识。实现从IP网单标识(IP地址,既是身份标识和位置标识,也代表路径标识),到移动网络双标识(身份/位置),再到向量网(身份/位置/路径)的三标识架构。通过解耦网络地址,优化网络架构,从而达到提高网络性能及网络扩展性的目的。(2)提出了基于向量地址的WSN数据转发策略。该策略中,将WSN的每个节点的所有当前无线链路出口进行局部编码(称为分量),这样从源节点到目的节点的路径信息就由一系列的编码构成,我们称其为向量地址。在无需网内数据处理的场景下,主叫节点向控制器请求向量地址,控制器生成向量地址返回主叫节点,节点收到后存储该向量地址,每次转发从向量地址中分离一个分量,并把数据包送到该分量所对应的出端口上,中间的转发节点不存储任何路径有关的信息。在需要网内数据处理的场景下,与上述工作过程类似,不同之处在于处理节点存储下一跳向量地址,多个向量地址接力完成转发,并进行网内数据融合。实验中,在同一应用场景下,分别采用现有WSN转发策略与向量地址转发策略,结果表明向量地址转发策略能节省更多的查表时间,节省能量,与FLOODING相比能耗降低89.15%,与GOSSIP相比能耗降低46.25%。(3)提出了基于向量地址的多路径传输机制及路径恢复算法。无线通信信号不稳定,WSN网络拓扑变化频繁,网络动态性强,单一的路径转发难以提供高的服务质量。本文提出了基于向量地址的端对端多路径传输机制及路径恢复算法,虽然单个路径不能连续保证网络连接,但是多条路径一起可以高可靠地提供网络连接。在该方法中,主叫申请和存储多条相对独立的通信路径,并按照路径代价排序待用。转发时,选择最优的一条路径之向量地址,按照向量转发机制转发,如果转发失败,启动路径恢复算法,选择备用路径进行数据转发。备用路径的切换速度独立于控制面的路由速度,所以可以实现端对端的快速路径切换,这样在较低的路由收敛速度的条件下,仍然可以实现“低时延高可靠”通信的目的。实验中,选择了路径最优的十条路径作为备选路径,分别对不同跳数下的路径恢复进行仿真,实验结果表明上述方法的性能显著改善。(4)提出了基于向量转发的源端查表数据转发策略。SDN-WISE每次数据转发都必须查表,造成WSN节点资源过度耗费,本文提出了基于向量转发的源端查表数据转发策略,最优状态下每个数据包只在源端查表一次,中间转发节点完全不用查表,即可完成数据从源节点到目的节点的传输,有效节约了WSN节点资源。通过实验对该方法进行了仿真与分析,实验结果验证了其优越性。