張陽(yáng) 高翔 張宏滔

（1.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京，210096；2.第七一五研究所，杭州，310023）

SDN核心思想就是將網(wǎng)絡(luò)的控制管理功能與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能解耦合，通過集中化的邏輯控制器掌管全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流向，并根據(jù)應(yīng)用層的需求合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，底層標(biāo)準(zhǔn)化的交換設(shè)備按照控制器的指示進(jìn)行單純的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)。鑒于SDN技術(shù)在計(jì)算機(jī)和無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域當(dāng)中的成功應(yīng)用，越來越多的人嘗試將其擴(kuò)展到水聲通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，并做一些適應(yīng)性的細(xì)節(jié)調(diào)整。文獻(xiàn)[1]最先提出了SDN技術(shù)應(yīng)用于水聲領(lǐng)域名為SoftWater的框架。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面中，綜合運(yùn)用聲學(xué)、光學(xué)和磁感應(yīng)通信手段來實(shí)現(xiàn)不同速率、不同距離的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的控制層面，開放標(biāo)準(zhǔn)接口滿足各種應(yīng)用程序?qū)Y源的調(diào)度和使用，使得上層業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的變更需求直接體現(xiàn)在邏輯網(wǎng)絡(luò)上。

在此基礎(chǔ)上，研究人員從多個(gè)角度對(duì) SDN在水聲通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行初步的探索和嘗試，主要是以下兩方面：（1）底層硬件自定義。如今水聲通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)由單一型水下通信節(jié)點(diǎn)集合發(fā)展為水下節(jié)點(diǎn)、無人潛航器和水面操作平臺(tái)組成的混合模型，要把它們有效組織起來可能會(huì)涉及多種協(xié)議、多種通信體制的使用和配置。文獻(xiàn)[2,3]中介紹的SDR（Software-Defined Radio）采用軟件定義的方式動(dòng)態(tài)改變物理層和鏈路層中關(guān)鍵內(nèi)容，從而適應(yīng)不同通信質(zhì)量、端到端時(shí)延和吞吐量等方面的性能要求。（2）負(fù)載均衡。在集中式的 SDN水聲網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，可以設(shè)置多個(gè)輔助節(jié)點(diǎn)管理局部網(wǎng)絡(luò)，分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)流量。文獻(xiàn)[4,5]涉及到一種三維立體的SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：水面浮標(biāo)作為主控制節(jié)點(diǎn)掌握全網(wǎng)視圖，水下節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息的采集并定時(shí)報(bào)告，自主水下潛航器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）作為中間移動(dòng)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)水面上下的數(shù)據(jù)交換，以此提升網(wǎng)絡(luò)的智能化水平。文獻(xiàn)[6]為了增強(qiáng)大范圍應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制，在海底額外放置了多個(gè)靜態(tài)的輔助控制節(jié)點(diǎn)，彌補(bǔ)AUV的不足。

本文將從網(wǎng)絡(luò)整體的角度出發(fā)，基于控制轉(zhuǎn)發(fā)分離的思路對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層處理，討論控制節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部邏輯和功能模塊等關(guān)鍵內(nèi)容，重點(diǎn)是對(duì)南向接口協(xié)議流表和消息的設(shè)計(jì)，從而提出了一種適用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的 SDN網(wǎng)絡(luò)框架。

1 水聲SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型

如圖1所示，水聲通信網(wǎng)絡(luò)最重要的任務(wù)就是將探測(cè)得到的數(shù)據(jù)上傳給海面平臺(tái)，由網(wǎng)關(guān)經(jīng)過融合預(yù)處理后通過無線鏈路匯總給控制中心，或者是由水面控制平臺(tái)經(jīng)過邏輯判決后再回傳相應(yīng)的控制指令，這種集中化的管理需求正契合 SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)初衷。節(jié)點(diǎn)布放下去之后，網(wǎng)絡(luò)管理人員可以根據(jù)自主組網(wǎng)得到的全局拓?fù)湟晥D，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)流向，并通過指令直接實(shí)現(xiàn)配套協(xié)議的熱切換。利用 SDN技術(shù)能夠讓網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化管理和控制能力獲得空前的提升，有效解決水聲通信網(wǎng)絡(luò)所面臨的資源規(guī)模擴(kuò)展受到限制、組網(wǎng)靈活性差等問題。

SDN思想具體映射到水聲網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中時(shí)，可以得到如圖2所示的分層結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面由分布在中下層的移動(dòng)AUV和傳感數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)組成，借助SDR技術(shù)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；控制平面由海面的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，從南向接口收集到足夠多轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息之后，控制節(jié)點(diǎn)可以搭建起完整的控制網(wǎng)絡(luò)，并向上層提供流量配置、拓?fù)涔芾淼榷鄻踊木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)調(diào)用接口；應(yīng)用層配置在水面艦艇控制平臺(tái)和岸基控制中心，直接面向開發(fā)人員和使用人員，通過北向接口發(fā)送指令編排數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面資源，從而完成環(huán)境監(jiān)測(cè)、水下偵查等多項(xiàng)任務(wù)。本文的水聲通信網(wǎng)絡(luò)南向接口協(xié)議借鑒了OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，設(shè)計(jì)了用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的流表規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)控制的消息類型。

圖1 水聲通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景

圖2 水聲通信網(wǎng)絡(luò)SDN架構(gòu)

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面

數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)既是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的直接源頭，也是數(shù)據(jù)傳遞的中轉(zhuǎn)方，作為網(wǎng)絡(luò)的主體被大量布放在工作區(qū)域內(nèi)。簡(jiǎn)單來說，其工作原理就是在準(zhǔn)備發(fā)送或者接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，將數(shù)據(jù)包的某些特征與節(jié)點(diǎn)自身存儲(chǔ)的一些表項(xiàng)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)匹配時(shí)則按照表項(xiàng)的要求進(jìn)行相應(yīng)的處理。為了實(shí)現(xiàn) SDN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信，以下將會(huì)在節(jié)點(diǎn)邏輯模型的基礎(chǔ)上對(duì)原有 SDN數(shù)據(jù)流表進(jìn)行本地化改造，并在匹配規(guī)則、動(dòng)作執(zhí)行邏輯等配套內(nèi)容上進(jìn)一步細(xì)化。

2.1 數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)邏輯模型

對(duì)于水聲通信網(wǎng)絡(luò)來說，由于其特殊且惡劣的使用環(huán)境和信道條件，布放下去的通信節(jié)點(diǎn)必須具備基本的自我調(diào)節(jié)和管理功能，并保證一定的可靠性和獨(dú)立性，所以底層普通數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的通信都應(yīng)該是一種對(duì)等且多跳的形式。另外，為了響應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)的消息，每個(gè)水下傳感節(jié)點(diǎn)當(dāng)中都需要嵌入一定的控制邏輯，配合控制節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行管理，邏輯模型如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)邏輯模型圖

（1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用SDR技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)距離的水聲多跳數(shù)據(jù)通信。為了滿足網(wǎng)絡(luò)不同條件下的技術(shù)指標(biāo)，共享物理層兼容多種信號(hào)調(diào)制解調(diào)以及信道編解碼方式，通用鏈路層可以選擇不同的 MAC層協(xié)議。

（2）傳感數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的大部分控制功能被集中到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，方便以模塊化的方式進(jìn)行批量設(shè)計(jì)制造。圖3中Inner_Control模塊除了一般意義上的邏輯判決功能之外，還需要額外按照南向接口協(xié)議承擔(dān)一定的組網(wǎng)和維護(hù)功能，從而在已構(gòu)建形成的控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，按需疊加數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)；Flow_Table流表模塊則記錄本節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，處理與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的信息交互關(guān)系。

2.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)流表設(shè)計(jì)

流表作為 SDN通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的核心部件，必須具備對(duì)數(shù)據(jù)包的精準(zhǔn)匹配和操作功能[7]。但這并不意味著流表項(xiàng)越詳細(xì)越好，一方面是在網(wǎng)元設(shè)備內(nèi)部放置流表項(xiàng)的TCAM（Ternary Content Addressable Memory）空間有限；另一方面是結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜和臃腫反而會(huì)降低數(shù)據(jù)匹配和處理效率。

2.2.1 流表項(xiàng)格式

參照 OpenFlow1.0協(xié)議的數(shù)據(jù)流管理方式，SDN水聲通信網(wǎng)絡(luò)中的流表項(xiàng)可以分為圖4所示的控制域、匹配項(xiàng)、動(dòng)作集和統(tǒng)計(jì)項(xiàng)四部分。

圖4 SDN水聲通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面流表項(xiàng)格式

● 控制域

1）Priority表示該流表項(xiàng)的優(yōu)先級(jí)，代表多任務(wù)下的匹配執(zhí)行順序和重要程度；

2）Timeout是該流表項(xiàng)發(fā)揮有效作用的時(shí)間終點(diǎn)，自插入流表之后開始計(jì)時(shí)。一旦計(jì)時(shí)結(jié)束，節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)刪除該流表項(xiàng)。

● Header匹配項(xiàng)

該部分包含 SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)各層的配置信息，既可以是 SDR中所使用的源地址、目的地址和協(xié)議組合，也可以是應(yīng)用層中對(duì)應(yīng)的任務(wù)類型。每一項(xiàng)中的內(nèi)容并不限制唯一，允許以通配項(xiàng)“ANY”（-1或空指針）的形式出現(xiàn)以支持任意值的匹配。

● Action集合

在一般的使用場(chǎng)景中，必備動(dòng)作應(yīng)該包括Forward、Drop、Store三種基礎(chǔ)類型。Forward表示節(jié)點(diǎn)將來自內(nèi)部或外部的有效數(shù)據(jù)重新封裝之后，發(fā)送到水聲信道當(dāng)中；Drop主要是作為節(jié)點(diǎn)自身的應(yīng)變動(dòng)作，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部緩存隊(duì)列空間已滿的情況下，直接將傳送到來的數(shù)據(jù)包丟棄；Store表示不論傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)是否是數(shù)據(jù)包的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，只要對(duì)其內(nèi)容有興趣，都可以設(shè)置該動(dòng)作標(biāo)志，將其提交給上層。在實(shí)際的流表項(xiàng)使用當(dāng)中會(huì)進(jìn)行動(dòng)作的組合。

● 統(tǒng)計(jì)項(xiàng)

Counter是針對(duì)特定單條數(shù)據(jù)流或者局部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，方便進(jìn)一步的QoS數(shù)據(jù)流量服務(wù)。統(tǒng)計(jì)對(duì)象包括匹配成功數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)、每次匹配時(shí)間間隔等，用戶可以結(jié)合實(shí)際需要自定義統(tǒng)計(jì)內(nèi)容。

2.2.2 數(shù)據(jù)匹配流程

節(jié)點(diǎn) MAC層接收到數(shù)據(jù)幀之后，剝離 MAC層控制字段并提取數(shù)據(jù)包上傳到 Flow_Table數(shù)據(jù)模塊，然后開始圖 5所示的數(shù)據(jù)包流表匹配過程。首先提取數(shù)據(jù)包頭部中的匹配字段，在本地存儲(chǔ)的流表中按照優(yōu)先級(jí)的高低與每條表項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比。節(jié)點(diǎn)會(huì)以最先匹配成功的表項(xiàng)作為匹配結(jié)果，根據(jù)相應(yīng)的動(dòng)作集合Action_Set對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行操作，同時(shí)在該匹配過程中符合統(tǒng)計(jì)要求的Counter也會(huì)同步更新。當(dāng)然，如果沒有找到匹配項(xiàng)則會(huì)進(jìn)入優(yōu)先級(jí)最低的默認(rèn)表項(xiàng)，可以選擇立即將該數(shù)據(jù)包丟棄，也可以將該數(shù)據(jù)包信息放入控制消息當(dāng)中，通過水聲信道多跳轉(zhuǎn)發(fā)給控制節(jié)點(diǎn)。

2.2.3 流表動(dòng)作執(zhí)行

在動(dòng)作執(zhí)行過程當(dāng)中，Drop和Store均為即時(shí)性動(dòng)作，確認(rèn)之后立刻操作，而Forward需要根據(jù)對(duì)應(yīng)表項(xiàng)的優(yōu)先級(jí)再?zèng)Q定操作細(xì)節(jié)。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)先根據(jù)流表項(xiàng)內(nèi)容設(shè)置數(shù)據(jù)包頭部的控制字段，之后再與數(shù)據(jù)負(fù)載一起封裝生成數(shù)據(jù)包。如果其所屬流表項(xiàng)優(yōu)先級(jí)最高，則直接交給MAC層傳輸；否則按照優(yōu)先級(jí)越高、接收時(shí)間越早入隊(duì)越靠前的準(zhǔn)則暫存在優(yōu)先隊(duì)列中。只有當(dāng)下一次流表更新或者流表失效觸發(fā)狀態(tài)檢查時(shí)，節(jié)點(diǎn)才會(huì)重新整理隊(duì)列當(dāng)中的數(shù)據(jù)包。結(jié)合上述情況的討論，數(shù)據(jù)傳輸過程中節(jié)點(diǎn)各個(gè)角色所有可能的動(dòng)作組合如表1所示。

圖5 傳感數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)包匹配流程

表1 數(shù)據(jù)傳輸中節(jié)點(diǎn)角色與動(dòng)作組合

3 控制平面

控制平面對(duì)底層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)資源的調(diào)配和編排是提升SDN網(wǎng)絡(luò)效率的關(guān)鍵所在。SDN技術(shù)將節(jié)點(diǎn)的控制能力集中到獨(dú)立的水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，借助控制消息感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，進(jìn)行組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)、拓?fù)涔芾?、流量設(shè)置，并增加了可編程的北向接口供上層使用。由于水聲網(wǎng)絡(luò)自身的屬性，SDN當(dāng)中的數(shù)據(jù)平面和控制平面重疊在一起，即數(shù)據(jù)通路和控制通路使用同一物理信道進(jìn)行多跳的數(shù)據(jù)和消息傳輸。

3.1 控制節(jié)點(diǎn)邏輯模型

海面網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的邏輯控制功能，是全局意義上的數(shù)據(jù)和控制消息匯聚點(diǎn)。圖6中網(wǎng)絡(luò)管理模塊作為控制平面中樞，動(dòng)態(tài)收集節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和拓?fù)湫畔?，并根?jù)任務(wù)合理調(diào)用傳感節(jié)點(diǎn)資源；數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)模塊監(jiān)控全網(wǎng)的數(shù)據(jù)流向，進(jìn)行上報(bào)數(shù)據(jù)的融合和遠(yuǎn)程通信的中轉(zhuǎn)。在該過程中，節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)通過外部接口將網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵信息以無線或有線的方式向岸基或艦船控制中心傳輸，也可以從這些平臺(tái)接收控制指令及時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。

圖6 控制節(jié)點(diǎn)邏輯模型

3.2 控制網(wǎng)絡(luò)消息類型

水聲控制網(wǎng)絡(luò)消息的交互主要是為了實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)目標(biāo)：（1）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與水下傳感數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間控制通道和數(shù)據(jù)通道的建立；（2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與水下傳感數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間流表的下發(fā)和查詢，授權(quán)允許數(shù)據(jù)傳輸；（3）移動(dòng) AUV節(jié)點(diǎn)的短暫接入和數(shù)據(jù)傳輸。據(jù)此對(duì)OpenFlow1.0協(xié)議中的控制消息進(jìn)行篩選，重新設(shè)計(jì)了消息類型和工作方式。

3.2.1 組網(wǎng)類消息

在網(wǎng)絡(luò)的初始化階段，網(wǎng)關(guān)控制節(jié)點(diǎn)一般是通過廣播Hello_Request與接收Hello_Reply的方式建立與各個(gè)固定傳感節(jié)點(diǎn)之間的消息通路以及數(shù)據(jù)通路，根據(jù) Hello_Reply反饋的路由信息形成中心式的控制網(wǎng)絡(luò)[8]。此后若有其他新的固定傳感節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，可以周期性發(fā)送 Hello_Request尋找可能的鄰居節(jié)點(diǎn)，嘗試主動(dòng)加入到原有網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。

Hello_Request/Reply的消息結(jié)構(gòu)如圖7所示。所有節(jié)點(diǎn)只在第一次收到來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的Hello_Request之后才會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，并在路由地址字段內(nèi)加入自己的MAC地址，之后如果再收到同樣的消息將直接丟棄。為了防止形成廣播風(fēng)暴，可以在路由控制信息內(nèi)限制該類型的消息在網(wǎng)絡(luò)中的最大允許路由跳數(shù)。Hello_Reply消息由傳感節(jié)點(diǎn)在接收到 Hello_Request之后主動(dòng)創(chuàng)建，向其源地址匯報(bào)自己當(dāng)前建立的路由信息，同時(shí)也通告周圍鄰居節(jié)點(diǎn)自身的存在。

圖7 Hello_Request/Reply包結(jié)構(gòu)

3.2.2 流表類消息

（1）Packet_In消息

如果節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)上層或者M(jìn)AC層有數(shù)據(jù)包到來，但是與高優(yōu)先級(jí)的流表項(xiàng)匹配均失敗，此時(shí)會(huì)進(jìn)入Table-Miss默認(rèn)的最低優(yōu)先級(jí)流表項(xiàng)，按照網(wǎng)絡(luò)配置選擇產(chǎn)生 Packet_In消息向中心控制節(jié)點(diǎn)詢問。因此，該消息除圖8所示一般的控制域之外還應(yīng)該有字段表明節(jié)點(diǎn)收到的陌生數(shù)據(jù)流關(guān)鍵信息，例如該數(shù)據(jù)流的起始和終點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸模式。

圖8 Packet_In包結(jié)構(gòu)

（2）Flow_Mod消息

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)完成組網(wǎng)之后，中心網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)暫時(shí)調(diào)整各項(xiàng)任務(wù)事件的優(yōu)先級(jí)、有效期或者執(zhí)行動(dòng)作，也可能會(huì)因?yàn)?Packet_In流表請(qǐng)求消息的到來而直接下發(fā)新的流表項(xiàng)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將這些需要改動(dòng)的流表內(nèi)容打包生成Flow_Mod消息指令并向傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送。目的節(jié)點(diǎn)接收到之后通過內(nèi)部接口直接作用于Flow_Table模塊。如圖9所示，傳感數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)在收到Flow_Mod消息之后，如果流表控制信息中的處理類型是修改流表，則內(nèi)部流表逐一與消息中的 Header匹配，匹配成功之后將其調(diào)整為Flow_Mod后附的流表內(nèi)容；如果處理類型是添加和刪除流表，則直接對(duì)整條流表項(xiàng)進(jìn)行增加或刪減操作。

圖9 Flow_Mod包結(jié)構(gòu)

3.2.3 移動(dòng)接入類消息

在網(wǎng)絡(luò)初始化完成之后，如果有移動(dòng)AUV節(jié)點(diǎn)需要接入網(wǎng)絡(luò)，則會(huì)使用該類消息。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)通過不斷廣播Echo_Request確定周圍是否有SDN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并指明所需的數(shù)據(jù)內(nèi)容，鄰居有效節(jié)點(diǎn)接收到之后將其上傳至網(wǎng)關(guān)控制節(jié)點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)控制節(jié)點(diǎn)收到并判明是此類消息之后，將該移動(dòng) AUV所需的數(shù)據(jù)打包生成Echo_Reply消息并原路返回。

4 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于SDN架構(gòu)的最上層，分布在水面艦船或岸基監(jiān)控中心處，主要是基于控制平面提供的服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)相關(guān)的監(jiān)控、管理等基本應(yīng)用，同時(shí)還可以按照用戶的需求定制網(wǎng)絡(luò)功能[9]。如圖 10所示，底層網(wǎng)絡(luò)資源經(jīng)過控制節(jié)點(diǎn)的抽象之后，基礎(chǔ)應(yīng)用對(duì)外通過北向接口既可以感知水聲網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)，也可以按需調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)送控制指令改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠驍?shù)據(jù)流向，使得網(wǎng)絡(luò)各個(gè)部分并發(fā)執(zhí)行不同的任務(wù)，提高系統(tǒng)利用率；對(duì)內(nèi)作為實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)的技術(shù)支撐為用戶自定義功能所調(diào)用，滿足不同粒度的服務(wù)指標(biāo)，讓上層的應(yīng)用開發(fā)更加簡(jiǎn)潔。

圖10 SDN應(yīng)用分類與控制平面關(guān)系

其中，SDN的北向接口是面向網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的，需要為應(yīng)用層提供足夠的能力快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整或定制，其設(shè)計(jì)的合理性和開放性密切聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。但從軟件工程的角度來說，它應(yīng)該具有以下特征：（1）獨(dú)立性。約束各層之間的工作關(guān)聯(lián)性，降低某一層更新進(jìn)化時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響；（2）接口統(tǒng)一。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一、精確的描述，保證多平臺(tái)的移植接入；（3）響應(yīng)緩存。網(wǎng)絡(luò)中的信息交互通常具有一定的規(guī)律性，在本地緩存高重復(fù)率的響應(yīng)數(shù)據(jù)可以有效改善網(wǎng)絡(luò)效率。

5 遠(yuǎn)程通信場(chǎng)景仿真與分析

本文使用OPNET Modeler 14.5軟件，構(gòu)建以SDN技術(shù)為核心的水聲通信網(wǎng)絡(luò)，并在遠(yuǎn)程通信場(chǎng)景中與傳統(tǒng)的水聲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能對(duì)比。如圖 11所示，設(shè)置多跳的SDN集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在60 km×60 km的范圍內(nèi)均勻分布16和30個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間距為10 km，最大通信距離為12 km，網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)最多只能與相鄰的四個(gè)節(jié)點(diǎn)直接通信。其中，Sink節(jié)點(diǎn)是全網(wǎng)的中心控制節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，均使用流表進(jìn)行數(shù)據(jù)交互且 MAC層使用ALOHA協(xié)議。

在同樣拓?fù)渑渲孟碌膫鹘y(tǒng)分布式水聲網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的身份對(duì)等，內(nèi)部各層分別使用經(jīng)典的MACA協(xié)議和AODV路由協(xié)議。

為了便于觀察和比較試驗(yàn)結(jié)果，挑選處于對(duì)角線上兩節(jié)點(diǎn)A和B執(zhí)行遠(yuǎn)程單向通信。在SDN網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)A在t1時(shí)刻通過Packet_In消息向Sink節(jié)點(diǎn)查詢數(shù)據(jù)通路，Sink節(jié)點(diǎn)收到之后從全網(wǎng)角度安排流表，放入Flow_Mod消息分別發(fā)往此次數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗己湍繕?biāo)節(jié)點(diǎn)，授權(quán)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作，從A發(fā)出的第一個(gè)數(shù)據(jù)包在t2時(shí)刻到達(dá)B。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，相同位置的節(jié)點(diǎn)A在t'1時(shí)刻按照AODV協(xié)議原理先以泛洪的方式尋找目的節(jié)點(diǎn)B，建立完整的路由后再進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段，節(jié)點(diǎn)B在t'2時(shí)刻收到第一個(gè)數(shù)據(jù)包。

圖11 SDN仿真的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

假定 SDN網(wǎng)絡(luò)已完成了控制組網(wǎng)過程，傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)也經(jīng)歷了初始化調(diào)試階段。仿真時(shí)間設(shè)定為 1 h，兩種網(wǎng)絡(luò)的水聲物理層均采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，數(shù)據(jù)率為500 bps。收集試驗(yàn)過程中上述時(shí)間統(tǒng)計(jì)量，定義如下的 SDN數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間tSDN和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信時(shí)間ttrad，得到如表 2所示的對(duì)比結(jié)果。

表2 不同規(guī)模下SDN和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信時(shí)間對(duì)比

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，對(duì)角線上節(jié)點(diǎn)通信所經(jīng)歷的節(jié)點(diǎn)數(shù)也越多，二者路由建立和中繼傳輸?shù)臅r(shí)間也會(huì)隨之增加。另外，與傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)泛洪尋找路由方式相比，SDN網(wǎng)絡(luò)可以在已有的完整控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上搭建所需的數(shù)據(jù)通路，減少了因?yàn)闊o序和盲目的路由搜索造成的時(shí)間浪費(fèi)，通信時(shí)間性能的優(yōu)化在 38%左右。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的SDN水聲通信網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程通信場(chǎng)景下可以更快地完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前水聲通信網(wǎng)絡(luò)硬件兼容性差、網(wǎng)絡(luò)部署面積受限和控制困難等問題，本文設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)發(fā)控制分離、集中控制管理的 SDN水聲通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。轉(zhuǎn)發(fā)平面功能簡(jiǎn)化，只需要按照流表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞；控制平面利用各種消息感知和控制網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，從全局最優(yōu)的角度提升網(wǎng)絡(luò)性能；應(yīng)用層通過開放的控制接口動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源的分配。各層之間通過本地化的南向接口協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)外的通信進(jìn)行規(guī)范，保障數(shù)據(jù)流的可靠傳輸。

基于SDN的水聲通信網(wǎng)絡(luò)抽象數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)集合，利用統(tǒng)一的控制中心優(yōu)化數(shù)據(jù)通路，可以提高組網(wǎng)效率。同時(shí)還支持自定義網(wǎng)絡(luò)功能，以軟件編程的形式繼續(xù)擴(kuò)展水聲網(wǎng)絡(luò)的可應(yīng)用場(chǎng)景。另外，考慮到水聲網(wǎng)絡(luò)的性能與物理環(huán)境緊密關(guān)聯(lián)，未來在流表的匹配項(xiàng)設(shè)計(jì)中增加底層感知到的物理層信道狀態(tài)參數(shù)，從而選擇條件較好的數(shù)據(jù)通路完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和靈活性。