一種基于SDN的混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

戴 天，李艾靜 ,2 ， 王 海

（1.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007； 2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240）

0 引 言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信應(yīng)用場(chǎng)景也越來越復(fù)雜、多樣化。其中，移動(dòng)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad-hoc Networks，MANET）以其自自組織、自尋址和自路由的特性受到人們的青睞[1]。MANET在緊急救援、車輛通信和戰(zhàn)場(chǎng)通信等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。和節(jié)點(diǎn)始終相連的互聯(lián)網(wǎng)不同，移動(dòng)自組織網(wǎng)由于自身節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或環(huán)境條件的變化，頻繁地出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，使得源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可能沒有可靠的端到端鏈路，導(dǎo)致整個(gè)自組網(wǎng)性能下降，甚至不能正常工作。

為了解決“可靠性”問題，延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（Delay Tolerant Network，DTN）開始被人們所關(guān)注。傳統(tǒng)的無線Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)在通信會(huì)話正在進(jìn)行時(shí)建立可用的端到端路徑，而在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)的稀疏性和低節(jié)點(diǎn)密度且節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系只能通過短暫的通信場(chǎng)景支持。DTN方法允許中間節(jié)點(diǎn)以“存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”模式進(jìn)行異步通信，并且當(dāng)機(jī)會(huì)合適的時(shí)候?qū)⑾鬟f到目的節(jié)點(diǎn)。因此在衛(wèi)星組網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、戰(zhàn)場(chǎng)通信等應(yīng)用領(lǐng)域受到重視。然而，許多DTN路由協(xié)議為了保證數(shù)據(jù)包到達(dá)率，創(chuàng)建多個(gè)消息副本傳送，這會(huì)導(dǎo)致?lián)砣⒔档途W(wǎng)絡(luò)性能[2]。

在某些特定場(chǎng)景下，例如無人機(jī)組網(wǎng)場(chǎng)景中，很多情況下，用戶希望在有路由時(shí)采用MANET轉(zhuǎn)發(fā)，而在沒有路由，網(wǎng)絡(luò)不具備端到端連通鏈路時(shí)采用DTN協(xié)議框架轉(zhuǎn)發(fā)，這樣在既保證實(shí)時(shí)性的情況下，又盡可能地提高端到端分組交付率。然而目前已有的混合架構(gòu)大多在節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)層添加切換機(jī)制或者在源節(jié)點(diǎn)設(shè)置適配層，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境切換傳輸方式，但使得DTN與MANET協(xié)議棧耦合度較高、靈活性切換較差，不利于DTN與MANET混合協(xié)議的有效實(shí)現(xiàn)。為了更好地實(shí)現(xiàn)MANET與DTN兩種傳輸模式的結(jié)合，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）以轉(zhuǎn)控分離、開放的可編程接口等特性，引起了相關(guān)研究者的關(guān)注[3-4]。

本文借助軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制平面和數(shù)據(jù)平面分離的轉(zhuǎn)發(fā)處理功能，提出了基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)常規(guī)路由轉(zhuǎn)發(fā)與延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，解決了傳統(tǒng)路由協(xié)議棧與延遲容忍協(xié)議棧不兼容的問題，同時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)兩種傳輸模式的快速切換策略，可以使節(jié)點(diǎn)以較低開銷獲知數(shù)據(jù)是否可以通過路由轉(zhuǎn)發(fā)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)路由通斷情況動(dòng)態(tài)選擇繼續(xù)使用DTN或切換至路由方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，是一種輕量級(jí)、靈活、易擴(kuò)展的混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1 SDN體系結(jié)構(gòu)分析

SDN技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一種新的驅(qū)動(dòng)力，它本身誕生于美國(guó)斯坦福大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)課題，是為了讓網(wǎng)絡(luò)管理員通過集中控制的方式，更方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行安全控制。經(jīng)過十多年的發(fā)展，SDN的概念由于不同場(chǎng)景的應(yīng)用而有了不同的標(biāo)準(zhǔn)，目前最普遍接受的定義是由開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（Open Networking Foundation，ONF）提出的，也被業(yè)內(nèi)人士稱為狹義SDN，通常具有三個(gè)基本特征：網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)和控制平面的明確分離、網(wǎng)絡(luò)邏輯從硬件實(shí)現(xiàn)到軟件的抽象和存在協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)決定的控制器[5]。

如圖1所示，ONF提出的SDN參考模型分為三層架構(gòu)，由下至上依此為基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應(yīng)用層。應(yīng)用層與控制層通過北向接口進(jìn)行交互，但目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)范?？刂茖雍突A(chǔ)設(shè)施層通過南向接口進(jìn)行交互，一般采用ONF提出OpenFolw協(xié)議格式[6]。

圖1 SDN參考架構(gòu)模型

基礎(chǔ)設(shè)施層包括數(shù)據(jù)平面的交換設(shè)備（例如，交換機(jī)、路由器等）。這些交換設(shè)備的功能大多是雙重的。首先，它們負(fù)責(zé)收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，暫時(shí)將這些狀態(tài)存儲(chǔ)在本地設(shè)備中并將其發(fā)送到控制器。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可以包括諸如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、流量統(tǒng)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)使用之類的信息。其次，它們負(fù)責(zé)根據(jù)控制器提供的規(guī)則處理數(shù)據(jù)包。

控制層通過其兩個(gè)接口橋接應(yīng)用層和基礎(chǔ)設(shè)施層，向下與基礎(chǔ)設(shè)施層（南向接口）交互，它為控制器詳細(xì)指定了訪問和控制交換設(shè)備的功能。這些功能可以包括報(bào)告網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和導(dǎo)入分組轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。向上與應(yīng)用層（北向接口）交互，它以各種形式提供服務(wù)接入點(diǎn)，例如，應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）。SDN應(yīng)用程序可以通過此API訪問交換設(shè)備報(bào)告的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，根據(jù)此信息做出系統(tǒng)調(diào)整決策，并通過使用此API將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則設(shè)置為交換設(shè)備來執(zhí)行這些決策。

應(yīng)用層包含為滿足用戶需求而設(shè)計(jì)的SDN應(yīng)用程序。通過控制層提供的可編程平臺(tái)，SDN應(yīng)用程序能夠訪問和控制基礎(chǔ)設(shè)施層的交換設(shè)備。SDN應(yīng)用程序的示例可以包括動(dòng)態(tài)訪問控制、無縫移動(dòng)和遷移、服務(wù)器負(fù)載平衡和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

2 基于SDN的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，已經(jīng)提出的MANET與DTN網(wǎng)絡(luò)混合架構(gòu)有三種，分別是DTN-over-IP架構(gòu)、IP-over-DTN架構(gòu)和IP-cum-DTN架構(gòu)。但都有著明顯的缺陷和不足，雖然DTN-over-IP架構(gòu)最大程度的支持已有的各種DTN協(xié)議，但它仍處于應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間，所以只與專門為捆綁層編寫的應(yīng)用程序兼容，并且還有在只使用端到端路徑時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的開銷，DTN路由不與IP路由交互等缺點(diǎn)。IP-over-DTN架構(gòu)一般用在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)包含于移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（DTN over MANET，DOM）模型上，它將IP包封裝在DTN包中，能大大提高原來基于IP的應(yīng)用程序兼容性，但這種方法有明顯的層沖突，并且一旦采用DTN模式，即使網(wǎng)絡(luò)鏈路恢復(fù)，也不能切換成MANET模式傳輸，大大增加了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。IP-cum-DTN架構(gòu)不覆蓋協(xié)議，它是依賴于節(jié)點(diǎn)（一般為網(wǎng)關(guān)）中的第三個(gè)模塊將兩種傳輸模式拼接成一個(gè)端到端層，好處是把DTN和MANET傳輸實(shí)現(xiàn)了分離，但架構(gòu)模型對(duì)傳統(tǒng)架構(gòu)改動(dòng)較為復(fù)雜，一般應(yīng)用在DOM模型的邊緣DTN代理節(jié)點(diǎn)[7]。

針對(duì)已經(jīng)存在的問題，利用SDN，我們?cè)O(shè)計(jì)的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)和無線移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)融合方案如圖2所示。在這個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)里，我們將負(fù)責(zé)DTN轉(zhuǎn)發(fā)的延遲容忍模塊和常規(guī)路由的路由管理模塊基本分離，整個(gè)架構(gòu)分為控制器單元（負(fù)責(zé)路由接收、流表設(shè)置、數(shù)據(jù)處理）、路由管理模塊、軟交換單元（負(fù)責(zé)流表配置和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)）和延遲容忍模塊四大部分。需要指出的是，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)分布式控制器，而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的集中控制器，節(jié)點(diǎn)的通信服務(wù)版可以有多個(gè)外部接口，軟交換機(jī)支持 多接口。

圖2 基于SDN的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)和無線移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)

軟交換單元接收帶轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)文后，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文中的目的地址查找流表，當(dāng)流表中能夠找到相應(yīng)目的地址所對(duì)應(yīng)的流表數(shù)據(jù)時(shí)，向?qū)?yīng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。當(dāng)流表中找不到相應(yīng)目的地址所對(duì)應(yīng)的流表數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送至延遲容忍模塊，由延遲容忍模塊通過延遲容忍的方式發(fā)送該數(shù)據(jù)報(bào)文。該架構(gòu)解決了常規(guī)路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議棧與延遲容忍轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議棧不兼容的問題，同時(shí)不存在控制器融交互等問題，沒有給網(wǎng)絡(luò)增加額外的開銷和負(fù)擔(dān)?；旌霞軜?gòu)涉及兩個(gè)重要過程：流表構(gòu)建過程和數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程。

2.1 流表構(gòu)建

SDN和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)分層有一定區(qū)別，但流表的構(gòu)建仍是可以基于現(xiàn)有協(xié)議算法所確定的路由信息，路由管理模塊運(yùn)行自身的路由和組網(wǎng)協(xié)議（例如最優(yōu)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議），根據(jù)其他節(jié)點(diǎn)反饋回來的消息，確定每個(gè)目的子網(wǎng)或目的地址的路由。將得到的路由信息通過北向接口的API，告知或者發(fā)送給控制器單元里的路由接收模塊。這時(shí)，路由接收模塊將接收到的路由信息轉(zhuǎn)交給流表設(shè)置模塊，流表設(shè)置模塊是將路由信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的流表設(shè)置指令，并將流表設(shè)置指令發(fā)送至軟交換單元中的流表配置模塊。流表配置模塊根據(jù)控制器單元所發(fā)送的流表設(shè)置指令，形成相應(yīng)的流表，流表由流表數(shù)據(jù)和缺省項(xiàng)信息所組成，流表數(shù)據(jù)和缺省項(xiàng)信息的一般格式分別如圖3和圖4所示。

圖3 流表數(shù)據(jù)一般格式

圖4 缺省項(xiàng)信息一般格式

需要指出的是，由于路由信息分為可達(dá)路由和不可達(dá)路由。當(dāng)路由信息為可達(dá)的路由時(shí)，流表配置模塊則根據(jù)流表設(shè)置指令在流表中生成相應(yīng)的流表數(shù)據(jù)；當(dāng)路由信息為不可達(dá)的路由時(shí)，流表配置模塊則根據(jù)流表設(shè)置指令在流表中刪除相應(yīng)的流表數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)

在數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程中，當(dāng)一個(gè)攜帶有目的地址的分組，也就是數(shù)據(jù)報(bào)文，通過物理接口到達(dá)軟交換單元后，軟交換單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文中的目的地址查找流表配置模塊生成的流表。當(dāng)流表中能夠找到相應(yīng)目的地址所對(duì)應(yīng)的流表數(shù)據(jù)時(shí)，向?qū)?yīng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送該數(shù)據(jù)報(bào)文。當(dāng)流表中找不到相應(yīng)的目的地址所對(duì)應(yīng)的流表數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊會(huì)將數(shù)據(jù)報(bào)文提交至控制器單元的數(shù)據(jù)處理模塊。然后數(shù)據(jù)處理模塊將接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送至延遲容忍模塊。最后由延遲容忍模塊將的數(shù)據(jù)報(bào)文通過延遲容忍的方式進(jìn)行發(fā)送。最終實(shí)現(xiàn)有路由分組轉(zhuǎn)發(fā)和無路由分組轉(zhuǎn)發(fā)的融合。

通過在每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)分布式控制器，并通過路由模塊、DTN模塊與控制器模塊的交互實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)存在路由時(shí)采用路由轉(zhuǎn)發(fā)分組，系統(tǒng)不存在路由時(shí)采用延遲容忍網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)分組的融合分組轉(zhuǎn)發(fā)。本文提出的架構(gòu)，不存在控制器融合、交互等問題，沒有給網(wǎng)絡(luò)增加額外的開銷和負(fù)擔(dān)，對(duì)傳統(tǒng)路由模塊和DTN模塊改動(dòng)也很小。由于控制器是每節(jié)點(diǎn)一個(gè)，因此在網(wǎng)絡(luò)分裂時(shí)不需要重新選舉出控制器，在多網(wǎng)絡(luò)融合時(shí)，不需要多控制器交互關(guān)閉其中一個(gè)或多個(gè)控制器，組網(wǎng)基本上不會(huì)給網(wǎng)絡(luò)引入新的開銷，網(wǎng)絡(luò)效率高。

3 快速切換路由機(jī)制的設(shè)計(jì)

為了更靈活地切換延遲容忍模式和常規(guī)路由兩種策略，達(dá)到“無路走DTN，有路走M(jìn)ANET”的效果，本文還提出一種路由快速切換機(jī)制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)路由通斷情況動(dòng)態(tài)選擇使用DTN或者M(jìn)ANET。便于描述，把主控單元和軟交換單元里的模塊隱藏（如 圖5所示）。

圖5 基于SDN的混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)略圖

在該結(jié)構(gòu)圖中，路由模塊上運(yùn)行常規(guī)路由協(xié)議，當(dāng)流表建立起來后，通過控制器設(shè)置軟交換機(jī)內(nèi)部的流表，用于軟交換機(jī)的查表轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到來自輸入接口的分組時(shí)，該分組將被導(dǎo)向查閱流表，確認(rèn)是否具有到目的節(jié)點(diǎn)的路由。快速切換路由機(jī)制的流程圖如圖5所示。

首先節(jié)點(diǎn)通過無線信道或者物理網(wǎng)口接收到數(shù)據(jù)包，用戶可以按照需求情況通過擴(kuò)展流表項(xiàng)區(qū)分是否為DTN數(shù)據(jù)包（例如設(shè)置服務(wù)類型的優(yōu)先級(jí)），不是DTN數(shù)據(jù)包，按常規(guī)路由轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行。如果是DTN數(shù)據(jù)包，軟交換單元通過主控單元將DTN數(shù)據(jù)包遞交給DTN模塊。

DTN模塊收到DTN數(shù)據(jù)包后，繼續(xù)DTN傳輸模式，同時(shí)構(gòu)造一個(gè)探測(cè)分組，探測(cè)分組的目的地址設(shè)置為目的節(jié)點(diǎn)的IP地址，分組的TTL（Time To Live，生存時(shí)間）字段設(shè)置為1，然后將此探測(cè)分組插入到輸入接口隊(duì)列，開啟定時(shí)器，則此探測(cè)分組會(huì)被送到軟交換機(jī)里進(jìn)行查表。如果流表里有到目的節(jié)點(diǎn)的路由，就會(huì)根據(jù)流表指定的接口轉(zhuǎn)發(fā)此探測(cè)分組，由于該分組的TTL為1，因此分組在流表轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，TTL值自動(dòng)被遞減為0，自然會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)模塊丟棄traceroute原理），在轉(zhuǎn)發(fā)出接口之前已經(jīng)被丟棄，從而不會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來額外負(fù)擔(dān)，并且在定時(shí)器超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有收到剛剛發(fā)出的探測(cè)分組，則認(rèn)為本節(jié)點(diǎn)有到目的節(jié)點(diǎn)的路由，因此該數(shù)據(jù)分組不需要通過DTN模塊轉(zhuǎn)發(fā)，DTN模塊將該數(shù)據(jù)包恢復(fù)成常規(guī)數(shù)據(jù)包格式，插入到外部接口發(fā)送隊(duì)列中。否則，軟交換機(jī)將沒有流表對(duì)應(yīng)項(xiàng)的探測(cè)分組送入控制器，再由控制器轉(zhuǎn)交給DTN模塊進(jìn)行發(fā)送。DTN模塊從控制器處收到剛剛發(fā)出的探測(cè)分組，說明沒有到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，就會(huì)繼續(xù)使用DTN模塊進(jìn)行DTN方式傳輸。同時(shí)開啟周期性構(gòu)建探測(cè)分組，判斷是否有到目的節(jié)點(diǎn)的“端到端”路徑，從而進(jìn)行快速路由切換。

通過此種方式，節(jié)點(diǎn)只需要構(gòu)造一個(gè)開銷極小的探測(cè)分組，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成是否進(jìn)行傳輸切換的判斷，也沒有對(duì)常規(guī)路由協(xié)議和DTN協(xié)議中的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行修改。比通過擴(kuò)展MANET路由協(xié)議數(shù)據(jù)格式有著兼容性更強(qiáng)、擴(kuò)展度更高等優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源有限的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)（如戰(zhàn)場(chǎng)無人機(jī)通信等）中有著更強(qiáng)的參考價(jià)值。

4 實(shí)現(xiàn)與性能分析

驗(yàn)證基于SDN混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可行性，本文基于Ubuntu操作系統(tǒng)搭建了SDN環(huán)境，利用C++語言實(shí)現(xiàn)了DTN模塊探測(cè)包的發(fā)送和接受處理，并對(duì)SDN控制器RYU核心代碼進(jìn)行了修改，能夠處理我們需要發(fā)生的事件。然后通過與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（DTN-over-MANET）做實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出我們提出方案的優(yōu)勢(shì)。

4.1 硬件設(shè)備

考慮到實(shí)驗(yàn)的易操作和易實(shí)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境考慮使用基于ARM內(nèi)核的Ubuntu16.04操作系統(tǒng)的樹莓派3b，是一款價(jià)格便宜并且功能俱全的微型開發(fā)板，適合大部分研究人員的測(cè)試和應(yīng)用。

4.2 軟件

SDN的控制器采用Python語言編寫的基于組件的RYU，它是一個(gè)開源軟件，可以為開發(fā)者自定義新的網(wǎng)絡(luò)管理和控制應(yīng)用程序，支持各種用于管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的協(xié)議。軟交換模塊采用高質(zhì)量、多層的虛擬交換機(jī)（OpenVSwitch，OVS），與物理交換設(shè)備相比，開銷小，可以通過編程方式擴(kuò)展大型網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)能支持許多標(biāo)準(zhǔn)南向接口協(xié)議如OpenFlow等，快速切換路由機(jī)制流程如圖6所示。

DTN模塊使用DTN2作為DTN協(xié)議實(shí)現(xiàn)。DTN2根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)范RFC 5050，實(shí)現(xiàn)了DTN捆綁協(xié)議，允許DTN節(jié)點(diǎn)之間利用Bundle層傳輸數(shù)據(jù)。由于這個(gè)軟件只考慮了DTN情況下的傳輸，本文的探測(cè)分組的構(gòu)造和DTN數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IP包工作在DTN2基礎(chǔ)上完成。為了驗(yàn)證架構(gòu)的可行性，我們選擇了DTN2軟件里比較簡(jiǎn)單的Direct Delivery路由算法。這種算法只允許源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)相遇后才發(fā)送數(shù)據(jù)，有利于實(shí)驗(yàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)傳輸方式的判斷。

常規(guī)路由模塊使用目前較為成熟的OLSRd作為協(xié)議源碼。該源碼用于實(shí)現(xiàn)路由協(xié)議最優(yōu)狀態(tài)鏈 路 協(xié) 議（Optimized Link State Routing Protocol，OLSR）。OLSR是鏈路狀態(tài)協(xié)議（Link State Routing Protocol，LS）的改進(jìn)，它是基于鏈路狀態(tài)的主動(dòng)路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)之間通過周期性的交互狀態(tài)維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，與被動(dòng)協(xié)議不同，如果節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)失敗，不需要轉(zhuǎn)入鏈路維護(hù)狀態(tài)，直接丟棄該數(shù)據(jù)包，降低時(shí)延。

圖6 快速切換路由機(jī)制流程

4.3 實(shí)驗(yàn)流程

為了驗(yàn)證基于SDN混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和切換算法的有效性，本設(shè)計(jì)了兩種場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選擇4個(gè)樹莓派作為節(jié)點(diǎn)，DTN的ID依此為Pi1～Pi4，對(duì)應(yīng)的IP地址依此192.168.1.1～192.168.1.4。對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，分別采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基于SDN的網(wǎng)絡(luò)混合架構(gòu)發(fā)送數(shù)據(jù)包，采用何種網(wǎng)絡(luò)傳輸模式可以通過數(shù)據(jù)包的存入路徑判斷，然后利用Wireshark抓包工具和目的節(jié)點(diǎn)接收情況來對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

場(chǎng)景1。源節(jié)點(diǎn)為Pi1，目的節(jié)點(diǎn)為Pi4，形成的連通關(guān)系如圖7所示，首先各節(jié)點(diǎn)采用傳統(tǒng)架構(gòu)，源節(jié)點(diǎn)Pi1發(fā)送數(shù)據(jù)包，然后查看Pi4的接收和所有節(jié)點(diǎn)抓包情況；然后各節(jié)點(diǎn)換成設(shè)計(jì)的SDN混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)，查看結(jié)果。

圖7 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景1拓?fù)潢P(guān)系

場(chǎng)景2。各節(jié)點(diǎn)的連通關(guān)系如圖8所示，同樣先后采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和SDN混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的順序?qū)嶒?yàn)。源節(jié)點(diǎn)Pi1和節(jié)點(diǎn)Pi2為無效鏈路，發(fā)送數(shù)據(jù)，查看各節(jié)點(diǎn)的抓包和接收情況，然后移動(dòng)源節(jié)點(diǎn)Pi1，使其與節(jié)點(diǎn)Pi2形成可用鏈路，但與Pi4不在一跳范圍內(nèi)，再次查看各節(jié)點(diǎn)的抓包和接收情況。

圖8 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景2拓?fù)潢P(guān)系

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

場(chǎng)景1。樹莓派不管是采用傳統(tǒng)架構(gòu)還是SDN混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，Pi4接收到數(shù)據(jù)包，并且以文件形式存入MANET對(duì)應(yīng)的路徑，通過Wireshark抓包，發(fā)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有到目的節(jié)點(diǎn)的IP，說明在節(jié)點(diǎn)之間鏈路存在的情況下，兩種架構(gòu)都能采用常規(guī)路由模式傳輸數(shù)據(jù)。

場(chǎng)景2。當(dāng)Pi1和Pi2沒有可用鏈路時(shí)，樹莓派不管采用哪一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，Pi4都沒有接收到數(shù)據(jù)包，通過Wireshark查看，只有Pi1有到目的節(jié)點(diǎn)IP的記錄，并且以文件形式緩存在DTN對(duì)應(yīng)的路徑，說明兩種架構(gòu)都能在網(wǎng)絡(luò)斷路時(shí)切換成DTN模式。當(dāng)Pi1和Pi2恢復(fù)鏈路后，在采用傳統(tǒng)架構(gòu)的情況下，數(shù)據(jù)包仍存儲(chǔ)在Pi1的bundle層，沒有被轉(zhuǎn)發(fā)。原因是傳統(tǒng)架構(gòu)采用DTN模式后，即使出現(xiàn)“端到端”鏈路，由于MANET與DTN架構(gòu)不兼容，無法切換到MANET模式。而在采用SDN混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的情況下，目的節(jié)點(diǎn)Pi4成功接收數(shù)據(jù)包，查看各個(gè)節(jié)點(diǎn)抓包和數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)路徑情況，發(fā)現(xiàn)Pi4以文件形式存入MANET對(duì)應(yīng)的路徑，傳輸成功。說明Pi1通過快速路由切換機(jī)制，檢測(cè)到了有到目的節(jié)點(diǎn)Pi4的“端到端”鏈路，自動(dòng)切換成了常規(guī)路由發(fā)送，驗(yàn)證了本文提出的基于SDN的混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以采用內(nèi)部發(fā)送較低開銷的探測(cè)分組的方式，使用DTN與MANET兩種傳輸模式在低耦合度情況下也達(dá)到了靈活的切換。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)SDN架構(gòu)，考慮了兩種傳輸方式的特點(diǎn)，且結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需要，提出了一種基于SDN的混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。該模型利用SDN可編程性、轉(zhuǎn)控分離等特點(diǎn)，通過在應(yīng)用層“掛件”的方式，使DTN和MANET兩個(gè)模塊能獨(dú)自運(yùn)行的同時(shí)，設(shè)計(jì)了一種低開銷的路由快速切換機(jī)制，使得節(jié)點(diǎn)能根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的通斷情況，動(dòng)態(tài)地選擇傳輸方式。最后，利用現(xiàn)有的資源對(duì)該架構(gòu)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，并和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（DTN-over-MANET）做對(duì)比，驗(yàn)證了該架構(gòu)的有效性和靈活性。

從現(xiàn)在來，純MANET或DTN路由技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但在應(yīng)對(duì)受限網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域如戰(zhàn)場(chǎng)通信，無人機(jī)通信等方面，都有所不足。本文結(jié)合SDN技術(shù)，充分發(fā)揮了兩種路由模式的優(yōu)點(diǎn)，為混合架構(gòu)的研究提供了新思路，有較大的實(shí)用價(jià)值。