基于SDN的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)能量高效型路由算法

曹 健，高 靜，張澤梁，王藝潼，李 楓

（1.北華大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林吉林 132000；2.北華大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，吉林吉林 132000；3.北華大學(xué)大數(shù)據(jù)與智慧校園管理中心，吉林吉林 132000）

0 引 言

第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)是智能制造[1]，通過對機器狀態(tài)和生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控，能有效地預(yù)測機器故障并優(yōu)化生產(chǎn)過程。在智能制造背景下，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷擴大、新型應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的能耗激增。降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的能量使用效率成為工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)實用化發(fā)展的關(guān)鍵。此外，目前大多數(shù)聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)設(shè)備資源有限，一旦部署就要使用很長時間，難以根據(jù)工業(yè)應(yīng)用需求動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源和路由策略，網(wǎng)絡(luò)的靈活性較差，因此現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不再適用于智能制造環(huán)境，迫切需要新的體系結(jié)構(gòu)和新的路由算法來支持工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）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，控制平面集中式的管理使得網(wǎng)絡(luò)可以基于全網(wǎng)視圖進行路由決策，并且提高了新功能部署和實施的靈活性；網(wǎng)絡(luò)的可編程性使得控制平面與數(shù)據(jù)平面之間的雙向通信成為可能[2-3]，達到簡化網(wǎng)絡(luò)管理與調(diào)度的目的。因此，將SDN 思想引入工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計中，由控制平面基于全網(wǎng)視圖進行決策，可以降低工業(yè)現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的復(fù)雜度和硬件成本，有效提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和能量使用效率。目前，國內(nèi)外將二者結(jié)合的研究還在初期階段，尚未有較為成熟的理論成果，因此對基于SDN思想的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)路由算法進行研究具有必要性和迫切性。

為此，本文基于SDN 思想提出軟件定義的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)能量高效路由算法（Software Defined Energyefficient Routing Algorithm，SDERA），控制器根據(jù)全局的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和應(yīng)用需求動態(tài)地調(diào)整路由決策，均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的能量使用效率和靈活性。

1 相關(guān)工作

學(xué)術(shù)界開展了大量關(guān)于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的研究。文獻[4]分析了基于IEEE 802.11，IEEE 802.15.1 和IEEE 802.15.4 標準的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的性能問題；文獻[5]研究了WirelessHART 標準中的匯聚傳輸問題，并提出了一種優(yōu)化時延的傳輸調(diào)度策略；文獻[6]提出一種基于ISA100.11a 的工業(yè)認知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，有效地增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量并降低端到端延遲；文獻[7]從信道爭用、傳輸沖突等角度分析了基于WirelessHART 標準網(wǎng)絡(luò)的端到端通信延遲，并且通過計算得出了延遲的時間范圍。上述研究內(nèi)容雖然從某一個方面或某一個指標滿足了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的通信需求，但很難根據(jù)全局的實時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息及時調(diào)整路由策略，難以滿足智能制造背景下用戶個性化定制產(chǎn)品等應(yīng)用場景對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的需求。

SDN 是近年來國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。文獻[8]提出的OpenFlow 是SDN 最初的原型實現(xiàn)，它主要應(yīng)用在大學(xué)校園和互聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)中，由OpenFlow交換機和控制器兩部分組成。文獻[9]分析了互聯(lián)網(wǎng)域間路由的主要問題，提出了基于SDN 的域間路由機制。文獻[10]將流量分類技術(shù)應(yīng)用于SDN 中，網(wǎng)絡(luò)能夠區(qū)分不同的應(yīng)用，并根據(jù)數(shù)據(jù)流在帶寬和延時方面的需求智能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的配置。此外，文獻[11-12]分別把SDN應(yīng)用到了移動接入網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。總體來看，目前關(guān)于SDN 的研究主要是面向數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的主干網(wǎng)領(lǐng)域，研究的內(nèi)容主要集中在SDN 的可擴展性、SDN 的規(guī)模部署與跨域通信、傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與SDN 共存等方面，基于SDN 的思想設(shè)計工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)路由算法目前仍十分罕見。

2 SDERA路由算法

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

用有向圖G=(V,E)表示工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，其中，V表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的集合，E表示網(wǎng)絡(luò)中無線鏈路的集合，如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 Network model

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點包括控制器C、感知節(jié)點fi、交換節(jié)點sj和接入節(jié)點ak。控制器C 位于監(jiān)測區(qū)域的中心，擁有網(wǎng)絡(luò)的全局狀態(tài)視圖和無限的能量供給，能夠智能分配網(wǎng)絡(luò)資源和優(yōu)化路由選擇；感知節(jié)點fi能夠感知現(xiàn)場設(shè)備及環(huán)境信息，并將其發(fā)送給交換節(jié)點；交換節(jié)點sj能夠感知工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信息，還能依據(jù)控制器C 下發(fā)的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；接入節(jié)點ak能夠?qū)j發(fā)來的數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)融合，然后將其發(fā)送給云/霧計算中心。

網(wǎng)絡(luò)中的鏈路包含控制器與交換節(jié)點間的鏈路、交換節(jié)點間的鏈路以及感知節(jié)點與交換節(jié)點間的鏈路等。由于無線鏈路具有不對稱性，將交換節(jié)點si到sj的無線鏈路記為eij∈E，反向鏈路記為eji，將交換節(jié)點si到感知節(jié)點fj的無線鏈路記為∈E，RSSIij表示無線鏈路的RSSI 值。

2.2 路由算法設(shè)計

SDERA路由算法由“網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息收集”“路由計算”“路由規(guī)則下發(fā)”“數(shù)據(jù)傳輸”和“節(jié)點信息更新”五部分組成。控制器周期性地收集節(jié)點和鏈路狀態(tài)信息，建立全局的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并分別為緊急數(shù)據(jù)包和普通數(shù)據(jù)包動態(tài)地計算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，將其分配在不同的邏輯子網(wǎng)中傳輸，均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗。當應(yīng)用需求或者節(jié)點的狀態(tài)信息發(fā)生變化時，控制器能夠動態(tài)調(diào)整路由決策，從而提高能量使用效率。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息收集

控制器C 向網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點廣播初始化消息HELLO-EO（hello-everyone）數(shù)據(jù)包，交換節(jié)點si在收到HELLO-EO 數(shù)據(jù)包后向控制器C 發(fā)送BACK-HELLO 數(shù)據(jù)包，同時si向周邊節(jié)點廣播Query 數(shù)據(jù)包，獲取鄰近的感知節(jié)點fj和交換節(jié)點sj的信息。

感知節(jié)點fj接收到來自控制器C 的HELLO-EO 數(shù)據(jù)包后進入等待狀態(tài)，當它收到交換節(jié)點si發(fā)送的Query數(shù)據(jù)包后，向si發(fā)送BACK_Query 消息。如果fj接收到來自不同交換節(jié)點的多個Query 數(shù)據(jù)包，則比較接收數(shù)據(jù)包的RSSI 值，選擇信號最強的交換節(jié)點si發(fā)送BACK_ Query 消息。si收到fj的反饋信息后，將其加入到自己的管轄節(jié)點集合中，即：

當sj接收到鄰居交換節(jié)點si的Query 數(shù)據(jù)包以后，向其發(fā)送Back_S_Query 數(shù)據(jù)包，si收到反饋信息后，將sj加入鄰居節(jié)點集合中，即：

si將自己的管轄節(jié)點集合、鄰居節(jié)點集合以及剩余能量和CPU 負載等信息發(fā)送給控制器C。控制器C接收到所有交換節(jié)點的信息后，掌握了全局的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。

2.2.2 路由計算

控制器C 完成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息收集后，掌握了網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的狀態(tài)信息，建立網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，接下來進行路由計算。根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸需求，將網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包分為緊急數(shù)據(jù)包和普通數(shù)據(jù)包兩種，控制器C 將其分配在不同的虛擬子網(wǎng)中傳輸，以便最小化普通數(shù)據(jù)包對緊急數(shù)據(jù)包的影響。

針對緊急數(shù)據(jù)包，控制器以交換節(jié)點si與sj間的一跳傳輸延時d(i,j)為度量，采用Dijkstra 算法計算每一個交換節(jié)點si到任意接入節(jié)點ak的最短路徑：

如果一個交換節(jié)點si存在到達不同接入節(jié)點（如ak,ak+1,…）的多條路徑p(i,k),p(i,k+1)，…，滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延需求，則根據(jù)式（4）選取中繼節(jié)點剩余能量較多，且到達隊列占用率較低的接入節(jié)點的路徑p(i,l)為轉(zhuǎn)發(fā)路徑，從而均衡網(wǎng)絡(luò)負載和能量消耗。

式中：α∈(0,1)是一個常數(shù)，表示接入節(jié)點ak的隊列占用率所占權(quán)重為接入節(jié)點ak的隊列占用率，其值為百分數(shù)為路徑p(i,k)上所有節(jié)點的剩余能量的和為路徑上全部節(jié)點的初始能量的和。

針對普通數(shù)據(jù)包，控制器C 根據(jù)式（5）計算交換節(jié)點的負載因子：

式中：Ei為節(jié)點si的剩余能量；Eaver為網(wǎng)絡(luò)中所有交換節(jié)點剩余能量的平均值；表示si的隊列占用率，其值為百分數(shù)。控制器C 以節(jié)點的負載因子為度量，采用Dijkstra 算法計算交換節(jié)點si到處理器負載最輕的接入節(jié)點ak的最短路徑：

由此將普通數(shù)據(jù)包分配在剩余能量高、負載較輕的交換節(jié)點中傳輸，均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

路由計算過程偽碼描述如下：

Set packet_type=1/*緊急數(shù)據(jù)包*/

For（i=0；i＜n；i++）/*n為網(wǎng)絡(luò)中交換節(jié)點的數(shù)目*/

{ For（j=0；j＜m；j++）/*m為網(wǎng)絡(luò)中接入節(jié)點的數(shù)目*/

Compute the shortest path from s[i]to a[j]using Dijkstra with the metric about delay；

If（pathnum ＞1）/*滿足傳輸需求的路徑數(shù)量多于1 個*/

Select the path p(i,l) by formula（5）；

}

Set packe_ type=0/*普通數(shù)據(jù)包*/

For（i=0；i＜n；i++）/*n為網(wǎng)絡(luò)中交換節(jié)點的數(shù)目*/

Compute the load factor LF[i]of s[i]；

{For（l=0；l＜m；l++）/*m為網(wǎng)絡(luò)中接入節(jié)點的數(shù)目*/

Select the node a[l]with the lightest queue load；

Compute the shortest path from s[i]to a[l]using Dijkstra with the metric about LF[i]；

}

2.2.3 路由規(guī)則下發(fā)

控制器完成路由計算以后，為每個交換節(jié)點中的緊急數(shù)據(jù)包和普通數(shù)據(jù)包分別計算了到達最優(yōu)接入節(jié)點的路徑，接下來要將路由規(guī)則分發(fā)給交換節(jié)點，由交換節(jié)點按照路由規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。路由規(guī)則報文中包含了緊急數(shù)據(jù)包和普通數(shù)據(jù)包到達目的節(jié)點的下一跳節(jié)點地址等內(nèi)容，路由規(guī)則報文格式如表1 所示。

2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸

當感知節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，先將數(shù)據(jù)包發(fā)給管轄自己的交換節(jié)點，交換節(jié)點為接收到的數(shù)據(jù)包匹配報文類型，然后根據(jù)控制器下發(fā)的路由規(guī)則找到下一跳節(jié)點地址，將數(shù)據(jù)包發(fā)往下一跳交換節(jié)點。

表1 路由規(guī)則報文格式Table 1 Description formats of routing rule

緊急數(shù)據(jù)包和普通數(shù)據(jù)包分別在不同的邏輯子網(wǎng)中傳輸，當它們到達接入節(jié)點以后，接入節(jié)點要統(tǒng)計數(shù)據(jù)包的跳數(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、發(fā)送時間和接收時間等信息，并將統(tǒng)計信息以及自己的處理器負載信息發(fā)送給控制器。控制器根據(jù)接收到的統(tǒng)計信息估算網(wǎng)絡(luò)中交換節(jié)點的剩余能量。

2.2.5 節(jié)點信息更新

網(wǎng)絡(luò)運行一段時間以后，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點和鏈路狀態(tài)會發(fā)生變化，此外節(jié)點的新增和失效都會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變，因此交換節(jié)點要周期地發(fā)送Query 數(shù)據(jù)包來更新鄰居節(jié)點和管轄節(jié)點信息。交換節(jié)點要將新的鄰居節(jié)點列表、管轄節(jié)點列表以及自身狀態(tài)信息（剩余能量和隊列占用率等）發(fā)送給控制器，控制器將新收到的每一個交換節(jié)點的剩余能量信息和估算的剩余能量進行比較，當它們的差值大于γ時，控制器則根據(jù)更新的全網(wǎng)信息重新計算轉(zhuǎn)發(fā)路徑并下發(fā)新的路由規(guī)則，從而及時優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

3 仿真實驗

本文采用OMNET++仿真平臺對SDERA 算法的性能進行仿真實驗，并與圖路由算法進行比較，主要從3個方面評估SDERA 算法的性能：端到端的平均傳輸延時；網(wǎng)絡(luò)的擴展性；網(wǎng)絡(luò)的有效生存周期。實驗參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

在平均傳輸延時比較實驗中，設(shè)定緊急數(shù)據(jù)包（HRSDERA）的延時約束THR=0.1 s；普通數(shù)據(jù)包（LRSDERA）的延時約束TLR=1 s。從實驗結(jié)果可以看出，在SDERA 算法中，隨著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流數(shù)量的增加，緊急數(shù)據(jù)包的傳輸延時在端到端的時延約束下平緩上升，當數(shù)據(jù)流的數(shù)量達到22 個時，時延約束仍小于0.1 s，始終低于圖路由算法的延時；普通數(shù)據(jù)包在剩余能量高、負載較低的鏈路中傳輸，其端到端延時曲線會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化出現(xiàn)輕微波動，其延時略高于圖路由算法，如圖2 所示。

表2 實驗參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter configurations of simulation experiment

圖2 平均傳輸延時比較Fig.2 Comparison of average transmission delay

本文通過增加節(jié)點密度產(chǎn)生的控制包數(shù)量來反映網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。在SDERA 算法中，感知節(jié)點要將在工業(yè)現(xiàn)場采集的信息發(fā)送給交換節(jié)點，由交換節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息，無需維護路由消息，雖然控制器和交換節(jié)點間的通信會增加額外的數(shù)據(jù)包，但數(shù)據(jù)量不大，總體來講感知節(jié)點的增加并沒有大幅度增加網(wǎng)絡(luò)中控制包的數(shù)量；在圖路由中，所有節(jié)點都要參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，新增節(jié)點帶來了較大的網(wǎng)絡(luò)開銷。因此，SDERA 算法較圖路由算法具有較好的網(wǎng)絡(luò)擴展性，當網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點達到400 個時，SDERA 算法在網(wǎng)絡(luò)擴展性方面的優(yōu)勢更加明顯，如圖3 所示。

此外，SDERA 算法能夠根據(jù)節(jié)點的剩余能量動態(tài)調(diào)整路由策略，并且根據(jù)數(shù)據(jù)的類型匹配相應(yīng)的策略，從而均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗。SDERA 算法針對緊急數(shù)據(jù)包，在滿足時延需求的路徑中選取中繼節(jié)點剩余能量多，到達隊列占用率低的接入節(jié)點的路徑為轉(zhuǎn)發(fā)路徑；針對普通數(shù)據(jù)包，根據(jù)節(jié)點的剩余能量和負載因子，選取剩余能量高、負載較輕的節(jié)點為下一跳節(jié)點，當仿真時間達到2 000 min 時，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點仍能夠較好的存活。與圖路由算法相比，SDERA 算法有效延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期，如圖4 所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)的擴展性比較Fig.3 Comparison of network expansibility

圖4 網(wǎng)絡(luò)生存周期比較Fig.4 Comparison of network life cycle

4 結(jié) 語

本文基于SDN 的思想設(shè)計了能量高效的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)路由算法SDERA?？刂破鲹碛腥值木W(wǎng)絡(luò)視圖，根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸需求將數(shù)據(jù)包分配在不同的邏輯子網(wǎng)中傳輸，達到提高網(wǎng)絡(luò)能量使用效率的目的；當網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點和鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，控制器能及時調(diào)整路由策略，在滿足工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸需求的同時，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和能量使用效率。仿真實驗表明，該路由算法在提高網(wǎng)絡(luò)能量使用效率方面表現(xiàn)出較好的性能。

注：本文通訊作者為高靜，張澤梁。