本文摘要：摘要:移動自組網(wǎng)在傳統(tǒng)的分布式組網(wǎng)方式下難以滿足復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求對網(wǎng)絡(luò)QoS及安全性的高要求，基于SDN的移動自組網(wǎng)架構(gòu)(SD-MANET)的提出為解決該問題提供了有效的解決思路。在SD-MANET中，拓撲發(fā)現(xiàn)是控制器進行流量調(diào)度與安全性控制的前提。 本文提出一種面
摘要:移動自組網(wǎng)在傳統(tǒng)的分布式組網(wǎng)方式下難以滿足復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求對網(wǎng)絡(luò)QoS及安全性的高要求，基于SDN的移動自組網(wǎng)架構(gòu)(SD-MANET)的提出為解決該問題提供了有效的解決思路。在SD-MANET中，拓撲發(fā)現(xiàn)是控制器進行流量調(diào)度與安全性控制的前提。
本文提出一種面向SD-MANET的拓撲發(fā)現(xiàn)方法，其主要思想是:利用連通支配集算法生成骨干網(wǎng)絡(luò)，由骨干節(jié)點將局部拓撲信息通過上行通路上報給SDN控制器，控制器根據(jù)收集到的鄰接信息計算出全網(wǎng)拓撲。本文方法通過限制向控制器上報局部拓撲信息的節(jié)點數(shù)量來降低拓撲信息收集過程中產(chǎn)生的額外開銷。仿真結(jié)果表明，該方法能夠準確地生成并維護網(wǎng)絡(luò)拓撲，且具有較小的控制開銷。
關(guān)鍵詞:移動自組網(wǎng),軟件定義網(wǎng)絡(luò),拓撲發(fā)現(xiàn),骨干網(wǎng)
0引言
移動自組網(wǎng)(MobileAdHocNetworks，MANET)因其獨立性、靈活性和適應(yīng)性被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信、傳感網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)以及災(zāi)難恢復(fù)等場景[1]。近年來，越來越復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求對MANET的安全性及QoS保證提出了更高的要求[2]。傳統(tǒng)MANET采用分布式組網(wǎng)方式，難以在源節(jié)點和目的節(jié)點之間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源信息(端到端延遲、帶寬、丟包率)選擇最佳路由[3]，在提高安全性及QoS保證上遇到了瓶頸。軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(SoftwareDefinedNetwork，SDN)將網(wǎng)絡(luò)的控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面解耦合，采用集中式控制替代原有的分布式控制[4]。
基于SDN的移動自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)SD-MANET[5]為上述問題提供了新的解決思路。控制器通過南向接口協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行通信，OpenFlow是目前主流的南向接口協(xié)議。區(qū)別于傳統(tǒng)MANET的分布式組網(wǎng)方式，一般來說，SD-MANET中由控制器負責(zé)收集拓撲信息并進行全網(wǎng)拓撲學(xué)習(xí)，進而基于學(xué)習(xí)到的全網(wǎng)拓撲實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度和安全性控制[6]。拓撲發(fā)現(xiàn)是控制器管理整個SD-MANET的基礎(chǔ)。
從技術(shù)角度而言，將LLDP(LinkLayerDiscoveryProtocol)、OSPF(OpenShortestPathFirst)或者IS-IS應(yīng)用到OpenFlow中都可以用來進行網(wǎng)絡(luò)拓撲檢測[7]，但是它們并不適于SD-MANET，主要原因有:1)一般應(yīng)用在SDN交換機較少的有線網(wǎng)絡(luò)中，其協(xié)議報文及響應(yīng)機制對于無線窄帶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來說，帶寬開銷過大[8]。2)SD-MANET中因節(jié)點移動、信道干擾、電量消耗等因素導(dǎo)致的拓撲變化與有線網(wǎng)絡(luò)拓撲變化相比頻繁且復(fù)雜得多，現(xiàn)有技術(shù)沒有針對性的解決方案[9]。
目前，在SD-MANET領(lǐng)域，不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用的拓撲發(fā)現(xiàn)方法也不盡相同。文獻[10]提出了一種基于SDN的戰(zhàn)術(shù)移動自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由多個控制器分級對網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)同管理，控制器可以部署在指揮中心、便攜無線基礎(chǔ)設(shè)施或者移動設(shè)備上，通過應(yīng)用層協(xié)議將節(jié)點本地拓撲信息發(fā)送至控制器。例如，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過運行分布式組網(wǎng)協(xié)議OLSR可以得到全網(wǎng)拓撲[11]。
理論上來說，控制節(jié)點可以利用SNMP等應(yīng)用層協(xié)議進行拓撲信息的收集和更新。但是，該過程依賴于轉(zhuǎn)發(fā)層面的中繼廣播，控制開銷較大，且獲取相關(guān)的設(shè)備信息及資源信息還需要進行復(fù)雜的跨層協(xié)議設(shè)計和報文擴展，開發(fā)成本很高。文獻[12]提出了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開源軟件定義網(wǎng)絡(luò)解決方案SDN-WISE，實現(xiàn)了基于狀態(tài)的OpenFlow流表處理機制，能夠降低傳感節(jié)點與控制器之間的信息傳遞代價。
文獻[13]基于SDN-WISE提出了拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議FTDP，協(xié)議基于模糊理論綜合考慮節(jié)點的鄰居數(shù)、剩余能量以及工作負載對拓撲發(fā)現(xiàn)及路由決策模塊進行了優(yōu)化，但計算量大，對拓撲變化的適應(yīng)性較差。文獻[14]提出一種將異構(gòu)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)與SDN相結(jié)合的架構(gòu)SDBN，通過異構(gòu)子網(wǎng)內(nèi)固定的網(wǎng)關(guān)節(jié)點向控制器上報子網(wǎng)拓撲。
在文獻[15]提出的網(wǎng)絡(luò)模型SD-TAODV中，控制器周期性地向鄰居節(jié)點廣播拓撲請求報文，報文在節(jié)點間逐層向外擴散，報文每到達一個節(jié)點，就將當前節(jié)點加入到所攜帶的拓撲列表中，并將報文返回給控制器。該方法通用性較強，但報文處理復(fù)雜，控制開銷很大。本文提出一種新的拓撲發(fā)現(xiàn)方法。該方法基于連通支配集的思想減少網(wǎng)絡(luò)中直接與控制器交互鄰接信息的節(jié)點數(shù)量，從而減少拓撲發(fā)現(xiàn)過程中的帶寬開銷，且在理論上具備一定的通用性。實驗表明，本文方法具有較小的控制開銷，且能夠及時感知拓撲變化。
1拓撲發(fā)現(xiàn)方法的基本思想
在SD-MANET中，選擇網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點來部署控制器，這個節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)中的控制節(jié)點(CN)與其他轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點一樣具有移動性。拓撲發(fā)現(xiàn)需要考慮以下2個問題:1)不同于有線網(wǎng)絡(luò)中有專門的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備(交換機或路由器)來協(xié)調(diào)各終端設(shè)備間的通信，SD-MANET中的每個節(jié)點既是終端節(jié)點，又是轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。如果網(wǎng)絡(luò)中的每個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點都向CN上報本地的局部拓撲，產(chǎn)生的控制信息必然會帶來大量的帶寬開銷，CN會收到大量的冗余信息。因此，應(yīng)該選取盡可能少的節(jié)點負責(zé)上報局部拓撲信息。2)節(jié)點移動性將導(dǎo)致CN與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點間的通信是不穩(wěn)定的，故節(jié)點需要及時更新并維護到CN的上行通路，以減少局部拓撲信息上報過程中的報文丟失。
針對上述2個問題，本文提出:從所有節(jié)點中選取一部分通信能力強、穩(wěn)定性高的節(jié)點集合構(gòu)成一個骨干網(wǎng)，骨干節(jié)點通過到CN的上行通路向CN上報本地的局部拓撲信息。整個拓撲發(fā)現(xiàn)過程主要包括2個階段:骨干網(wǎng)的構(gòu)造和拓撲信息的收集與維護。拓撲發(fā)現(xiàn)過程如下:1)在SD-MANET中構(gòu)造一個骨干網(wǎng)。2)各骨干節(jié)點獲取并維護到CN的上行通路。3)各骨干節(jié)點將本地鄰居信息上報給CN。4)CN分析并處理收集到的拓撲信息，生成全網(wǎng)拓撲。
2骨干網(wǎng)的構(gòu)造
上文提到需要選取一部分節(jié)點集合來構(gòu)造骨干網(wǎng)。這部分節(jié)點集合應(yīng)當具備以下特性:特性1集合中各節(jié)點的通信范圍能夠覆蓋到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點。特性2集合中的節(jié)點個數(shù)應(yīng)當盡可能地小。特性3集合中的節(jié)點應(yīng)當具有較高的通信帶寬，以保證較高的數(shù)據(jù)處理能力。為了得到滿足條件的節(jié)點集合，本文將SD-MANET抽象為一個無向圖模型，節(jié)點、各節(jié)點間的通信鏈路分別被抽象為圖中的點和邊。
2.1連通支配集算法
求任意圖的最小連通支配集是NP-難問題[16]，因此，目前在實際應(yīng)用中，通常用近似解來代替最優(yōu)解。(n表示節(jié)點數(shù)量;Δ表示最大鄰居數(shù))。文獻[17]提出的基于多點中繼(MultipointRelays，MPR)計算連通支配集的算法MPR-CDS允許節(jié)點根據(jù)其被選為MPR的次數(shù)和選擇其作為MPR的節(jié)點(MPRSelector)個數(shù)或者其他業(yè)務(wù)條件約束來調(diào)節(jié)自身意愿度(willingness)。與其他算法相比，該算法能夠保證選出的骨干節(jié)點與普通節(jié)點之間的鏈路雙向?qū)ΨQ。
本文使用該算法來生成骨干網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)運行過程中可通過調(diào)節(jié)某目標節(jié)點的willingness對骨干網(wǎng)進行管理。該算法的核心思想是采用貪心算法為每個節(jié)點v根據(jù)其二跳鄰居信息N2(v)從一跳鄰居信息N1(v)中選擇一組中繼節(jié)點MPR，網(wǎng)絡(luò)中所有的MPR節(jié)點可以構(gòu)成一個連通支配集，然后執(zhí)行CDS強化規(guī)則減小這個基于局部信息計算出的CDS規(guī)模[18]。2條規(guī)則如下，對于節(jié)點v，若滿足以下規(guī)則中的任意一條，便將其加入CDS。
3拓撲信息的收集與維護
3.1上行通路的計算策略
骨干網(wǎng)構(gòu)造完成之后，所有的骨干節(jié)點需要及時建立并維護到CN的上行通路。已知對于任一個普通節(jié)點，它至少是一個骨干節(jié)點的一跳鄰居，故本文旨在構(gòu)造一棵以CN為根節(jié)點的生成樹，這棵樹上，所有骨干節(jié)點均為CN的子孫，每個骨干節(jié)點到其父節(jié)點的鏈路即為到CN的上行通路。每個節(jié)點維護一張DV表(Distance-VectorTable)，用于存儲節(jié)點到CN的可達信息。表項
節(jié)點周期性地發(fā)送控制鏈路消息CL_MSG，該消息類似于HELLO消息，即只在一跳范圍內(nèi)廣播，不能被轉(zhuǎn)發(fā)，報文字段主要有該節(jié)點到CN的鏈路代價cost和序列號SN。節(jié)點之間通過交互CL_MSG消息來更新并維護DV表。每個節(jié)點在到達下一個CL_MSG廣播周期或者DV表發(fā)生變化時執(zhí)行DV表更新過程DV_Updating，該過程的具體描述如下:Step1節(jié)點生成一條CL_MSG，并廣播。
Step2收到CL_MSG的鄰居Ni判斷自身是否為骨干節(jié)點。Step2.1若是，執(zhí)行Step3。Step2.2否則，丟棄該消息。Step3判斷CL_MSG→SN是否大于本地當前DV表中已經(jīng)存在的最大SN。Step3.1若大于，執(zhí)行Step4。Step3.2若等于，但cost(Ni，CL_MSG→Src)+CL_MSG→cost的值比對應(yīng)表項中的cost更小，執(zhí)行Step4。Step3.3否則，丟棄該消息。Step4新建或更新DV表中到CN的表項
上文中Cost(i，j)表示i和j這一對直連鄰居之間的鏈路代價，通過查找節(jié)點i的鄰居表即可得到。初始情況下，CN的DV表中僅存在一個條目
值得注意的是，CL_MSG消息從CN自頂向下傳播的是SN為偶數(shù)的鏈路信息，當骨干節(jié)點檢測到鏈路故障時，將SN加1置為奇數(shù)沿著上行通路自下而上進行傳播，以通告鏈路故障。DV表中的每一條可達信息都包含一個SN，如果收到了來自不同節(jié)點的CL_MSG消息，選擇SN較大的那條對DV表進行更新。這一消息處理機制能夠保證DV表中的可達信息都是最新的。
4性能仿真與分析
本文主要使用OPNET18.6.1仿真軟件和OpenDayLight控制器對本文方法進行可行性驗證與性能分析。
4.1仿真實驗環(huán)境
仿真平臺由實物環(huán)境和OPNET仿真環(huán)境2個部分構(gòu)成。其中，OPNET通過SITL接口與OpenDayLight通信，OpenDayLight通過OpenFlow協(xié)議與OPNET中的SDN交換機通信。各節(jié)點以packet-in和packet-out消息的形式向控制器傳送拓撲信息。在OpenDayLight中添加Topology-Generator模塊，負責(zé)根據(jù)收集得到的局部拓撲信息生成并更新全網(wǎng)拓撲。
由于目前OPNET中的SDN交換機模型僅支持有線鏈路通信，為了使其適應(yīng)無線環(huán)境，本文對SDN有線交換機模型做了修改。物理層使用無線收發(fā)信機代替有線收發(fā)信機，使之支持無線收發(fā);MAC層采用TDMA技術(shù)實現(xiàn)信道復(fù)用;通過OPNET將SDN交換節(jié)點的屬性由固定節(jié)點修改為移動節(jié)點，使之具備移動性，并在其節(jié)點模型中新增MPR-CDS模塊，用于構(gòu)造骨干網(wǎng)。
對OPNET18.6.1的通用仿真參數(shù)進行設(shè)定:信道傳輸速率設(shè)定為11Mbps，傳輸層使用UDP協(xié)議，MAC層使用IEEE802.11b協(xié)議，仿真場景中的節(jié)點隨機分布于20km×20km的矩形區(qū)域中，每組仿真實驗的結(jié)果取20次運行的均值。
4.2實驗結(jié)果分析
4.2.1MPR-CDS算法性能
通過修改節(jié)點傳輸半徑來調(diào)節(jié)節(jié)點平均鄰居數(shù)。分別對節(jié)點平均鄰居數(shù)N為5、10、15、20時的場景執(zhí)行節(jié)點編址規(guī)則優(yōu)化后的MPR-CDS算法，并統(tǒng)計不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下選出的骨干節(jié)點個數(shù)占比。該算法可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中上報局部拓撲信息的節(jié)點數(shù)量，仿真結(jié)果與原算法基本一致。相同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，隨著節(jié)點傳輸半徑的增加，算法計算得出的連通支配集節(jié)點個數(shù)隨之減少;當節(jié)點傳輸半徑保持不變時，連通支配集的節(jié)點個數(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的增大而增大。
5結(jié)束語
本文分析了在SD-MANET中進行拓撲發(fā)現(xiàn)需要解決的問題，提出了一種適用于SD-MANET的拓撲發(fā)現(xiàn)方法。通過分析常用的最小連通支配集近似算法及影響骨干網(wǎng)通信能力的主要因素，對于MPR-CDS算法的節(jié)點編址規(guī)則進行了優(yōu)化，在一定程度上提高了生成的骨干網(wǎng)絡(luò)的通信能力;并提出了在骨干網(wǎng)與控制節(jié)點之間建立有效的上行通路的策略。
本文使用OpenDayLight控制器以及OPNET仿真軟件進行了仿真測試。實驗結(jié)果表明，本文方法具有較小的控制開銷，且能夠及時響應(yīng)拓撲變化并更新全網(wǎng)拓撲。但本文方法還存在一定的局限性，如:骨干節(jié)點選擇冗余、較大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(大于100節(jié)點)的動態(tài)場景下對網(wǎng)絡(luò)變化的適應(yīng)周期過長等，故仍然需要對CDS算法及報文設(shè)計進行優(yōu)化，并采用適當?shù)墓收仙蠄髾C制來解決拓撲響應(yīng)時間長的問題。筆者將在后續(xù)工作中進一步對當前方法進行改進。
計算機技術(shù)論文投稿刊物：《計算機仿真雜志》(ComputerSimulation)雜志創(chuàng)刊于1984年，由中國航天科工集團公司主管,由航天科工集團十七所主辦。本刊組織的欄目有：仿真技術(shù)綜述、軍事領(lǐng)域仿真、人工智能與系統(tǒng)分析、航空、航天領(lǐng)域仿真、化工領(lǐng)域仿真、汽車仿真、分布交互式實時仿真、仿真應(yīng)用與研究、過程的建模與驗證、仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、虛擬仿真、仿真方法與算法等20多個欄目。
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