基于SDN的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延高可靠路由機(jī)制

曹健 王藝潼 張澤梁 高靜

摘 要：為了滿足工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性需求，提出基于SDN的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延高可靠路由機(jī)制?？刂破鞲鶕?jù)數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)需求計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)故障或鏈路質(zhì)量變化較大時(shí)，控制器重新進(jìn)行路由決策。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該路由機(jī)制有效地保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)4.0；路由機(jī)制；SDN

1 緒論

先進(jìn)的信息和通信技術(shù)（ICT，Information and Communication Technology）推動(dòng)了第四次工業(yè)革命的發(fā)展。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)能夠在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中為現(xiàn)場設(shè)備提供寬帶的無線數(shù)據(jù)鏈路，提高了網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)效率，它是新一輪工業(yè)革命的重要基礎(chǔ)。[1]

路由協(xié)議是工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中包含大量資源受限的無線節(jié)點(diǎn)，它們往往處在高溫、高危和高腐蝕等非常復(fù)雜的通信環(huán)境中，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性要求比較高，因此研究工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的低延時(shí)高可靠路由機(jī)制具有迫切性和重要性。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN，Software Defined Network）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它分離了控制平面和數(shù)據(jù)平面，由控制平面基于全網(wǎng)視圖集中管理網(wǎng)絡(luò)，可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的路由決策，因此本文基于SDN思想，提出工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)低延時(shí)高可靠路由機(jī)制。

2 相關(guān)工作

關(guān)于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，學(xué)術(shù)界開展了大量研究。文獻(xiàn)[2]提出基于ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，能有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量并降低端到端延遲；文獻(xiàn)[3]分析了基于WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的端到端通信延遲，通過計(jì)算得出了延遲的時(shí)間范圍。SDN是近年來學(xué)術(shù)界研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]分別把SDN應(yīng)用到了移動(dòng)接入網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。目前基于SDN的思想實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制十分罕見。

3 路由機(jī)制

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)可以用有向圖G=（V，E）表示，其中，V表示節(jié)點(diǎn)的集合，E表示無線鏈路的集合。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為啞終端節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和SDN控制器。啞終端節(jié)點(diǎn)沒有轉(zhuǎn)發(fā)能力，它將感知到的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中；轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)在控制器的管理下對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；SDN控制器能夠基于網(wǎng)絡(luò)的全局視圖分配網(wǎng)絡(luò)資源和優(yōu)化路由策略。

3.2 路由機(jī)制設(shè)計(jì)

控制器通過周期的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)收集網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)和鏈路的狀態(tài)信息，建立全局的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，接下來根據(jù)數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)需求以及轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的可靠性計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，然后將新的路由規(guī)則下發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包以后，按照控制器下發(fā)的路由規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一段時(shí)間以后，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將新的節(jié)點(diǎn)和鏈路狀態(tài)信息發(fā)送給控制器，便于控制器對(duì)全網(wǎng)信息的及時(shí)掌控，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中鏈路質(zhì)量變化較大或者有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，控制器需要重新計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，及時(shí)更新轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中的路由規(guī)則。

3.2.1可靠性計(jì)算

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)i的可靠性估計(jì)值Ri通過轉(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)i和j間的傳輸延時(shí)di，j為度量，采用Dijkstra算法計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)i到任意接入節(jié)點(diǎn)ak（網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)接入節(jié)點(diǎn)）的最短路徑，如果轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)有多條路徑滿足應(yīng)用的實(shí)時(shí)傳輸需求，則依次計(jì)算每條路徑中轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的可靠性，選取可靠性高的轉(zhuǎn)發(fā)路徑下發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸需求的同時(shí)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在 Linux 環(huán)境下基于 OMNET++仿真平臺(tái)對(duì)提出的路由機(jī)制仿真實(shí)驗(yàn)，與LEACH協(xié)議和圖路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析，本文提出的路由機(jī)制在保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性方面具有較好的性能。

5 總結(jié)

本文提出了基于SDN的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)可靠的路由機(jī)制。SDN控制器擁有全局的網(wǎng)絡(luò)視圖，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需求選擇低時(shí)延高可靠的路徑，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)故障和鏈路質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，控制器重新進(jìn)行路由決策，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該路由機(jī)制在提供實(shí)時(shí)服務(wù)方面表現(xiàn)出較好的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹健，高靜.面向智能制造的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)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(wǎng)絡(luò)中跨層優(yōu)化的實(shí)時(shí)路由協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)工程，2009，35（22）：106-108.

作者簡介：第一作者曹?。?984-），男，講師，研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知計(jì)算等。

通訊作者：高靜（1985-），女，博士，北華大學(xué)，研究方向：網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法。