周 靜，關(guān)玉蓉

(黃岡師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 黃岡 438000)

1 引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)及嵌入式相關(guān)硬件和軟件技術(shù)快速發(fā)展，分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)DWSN(Distributed Wireless Sensor Network)能讓用戶更快捷地感知物理世界[1]。但是，DWSN中網(wǎng)絡(luò)框架技術(shù)和節(jié)點(diǎn)的差異性和無法直接連通性，使傳感數(shù)據(jù)在異構(gòu)互連網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)現(xiàn)高安全性的快速傳輸；節(jié)點(diǎn)能耗不均衡和無法共享問題，體現(xiàn)出其網(wǎng)絡(luò)資源管理模式固化；面對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化和網(wǎng)絡(luò)管理中節(jié)點(diǎn)設(shè)備臃腫現(xiàn)象，表現(xiàn)出其缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)全局視圖的事件可操作性，分析其原因是DWSN過度依賴面向用戶應(yīng)用精確制定專有服務(wù)特征，使其缺乏數(shù)據(jù)安全性和事件處理能力。因此，引入“新鮮血液”有效融合DWSN和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能具有重要研究意義。

2 基于SDN的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)框架

2.1 引入SDN框架的必要性

互聯(lián)網(wǎng)基本功能是網(wǎng)絡(luò)互連和數(shù)據(jù)共享。DWSN是感知、采集、處理、傳輸和面向用戶應(yīng)用精確制定專有服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)和底層網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備受具體部署類型制約。DWSN體系由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成，其為滿足用戶需求采用面向應(yīng)用精確定制方式，具有運(yùn)行簡單和開發(fā)高效的特點(diǎn)。然而，DWSN具有底層節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)量較多、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)改變、能量限制、數(shù)據(jù)安全性和事件處理性偏低等缺點(diǎn)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN(Software Defined Network)是具有控制轉(zhuǎn)發(fā)分離思想可編程化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，當(dāng)SDN融合DWSN的部署及運(yùn)行時(shí)，其相應(yīng)的技術(shù)和性能也面臨前所未有的挑戰(zhàn)，早在2012年，Mahmud等[2]就公布了支持可編程和定制化的軟件定義方式分布式無線網(wǎng)絡(luò)；幾乎在同時(shí)，Luo等[3]發(fā)表了Sensor OpenFlow框架的相關(guān)研究論文；后來，Hunkeler等[4]通過實(shí)驗(yàn)論證了DWSN的合理性和未來需求性。這些針對(duì)SDN融合DWSN的研究為基于SDN分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的誕生做出了重要貢獻(xiàn)。

目前，國內(nèi)外研究者針對(duì)軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開展了一些研究。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)框架，其通過SDN將網(wǎng)絡(luò)控制從硬件中分離出來；文獻(xiàn)[6]提出了一種基于自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法的路由算法，其通過SDN實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)重配置；文獻(xiàn)[5,6]重點(diǎn)研究了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層面的解耦問題，但未對(duì)引入的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用作出深層分析。文獻(xiàn)[7]給出了一種通用框架結(jié)構(gòu)并重點(diǎn)闡述了其關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[8]闡述了現(xiàn)有的軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通用架構(gòu)解決方案和研究現(xiàn)狀。但是，文獻(xiàn)[7,8]中的控制器是采用集中式模式而不是分布式模式，且文獻(xiàn)缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方面的研究。上述相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)框架、技術(shù)和性能都有相關(guān)研究，但框架和技術(shù)的引入應(yīng)用對(duì)DWSN中的安全性和事件可操作性缺乏深入研究，也沒有設(shè)計(jì)模型進(jìn)行定性對(duì)比分析。綜合當(dāng)前研究，本文將SDN引入DWSN中提出基于SDN的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)SDDWSN(based on Software Defined Distributed Wireless Sensor Networks)框架，并為研究SDDWSN框架技術(shù)和性能優(yōu)化等問題提供了一些重要的參考依據(jù)。

2.2 基于SDN的DWSN框架

SDN被MIT列為“改變世界的十大創(chuàng)新技術(shù)之一”，是具有控制轉(zhuǎn)發(fā)分離思想的虛擬化新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)[9]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Figure 1 SDN general framework圖1 SDN通用框架

圖1中，應(yīng)用平面通過網(wǎng)絡(luò)用戶可編程應(yīng)用接口轉(zhuǎn)發(fā)和處理用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用程序，控制平面主要由控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂坪凸芾?，?shù)據(jù)平面主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。平面之間主要通過南北接口API互連。北向接口NBI(NorthBound Interface)是一個(gè)開放的、與廠商無關(guān)的接口,它通過用戶自定義API接口，完成控制平面與應(yīng)用平面之間的通信；南向接口SBI(SouthBound Interface)通過使用控制數(shù)據(jù)平面接口CDPI(Control to Data-Plane Interface)協(xié)議[10]完成控制器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交互，最具有代表性的控制協(xié)議有OpenFlow協(xié)議、邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP(Border Gateway Protocol)等；東西向接口主要解決控制平面擴(kuò)展性問題，目前研究者對(duì)該接口的研究還處于初探階段，接口設(shè)計(jì)方案有垂直架構(gòu)和水平架構(gòu)，故圖1中未表示出來，而對(duì)該接口的應(yīng)用基本沿用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)跨域協(xié)議。

SDN框架采用基于流的數(shù)據(jù)控制轉(zhuǎn)發(fā)分離方式[11]與DWSN的以數(shù)據(jù)為中心面向用戶應(yīng)用精確定制服務(wù)進(jìn)行高效融合互補(bǔ)，可以有效解決底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備不兼容問題。為了克服DWSN的技術(shù)和性能瓶頸，本文通過引入SDN形成控制器為分布式模式、邏輯控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相分離、節(jié)點(diǎn)可軟件定義虛擬化的SDDWSN框架，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，應(yīng)用平面采用SDN的可編程化方法對(duì)DWSN應(yīng)用層精確定制傳感應(yīng)用程序服務(wù)；控制平面采用分布式模式部署控制器，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；數(shù)據(jù)平面通過對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備使用融合技術(shù)及進(jìn)行性能優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互連及達(dá)到高效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的要求；南北接口整合兼容2種框架接口協(xié)議和自定義算法。

Figure 2 Framework of SDDWSN圖2 SDDWSN框架

SDDWSN框架具有如下創(chuàng)新和優(yōu)勢：(1)軟件定義支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信。借助軟件定義無線電和軟件定義MAC實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連共享功能；通過軟件定義路由協(xié)議，能有效節(jié)約能量開銷，提高事件可操作性。(2)軟件定義增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)性能管理。充分利用SDN的控制轉(zhuǎn)發(fā)分離策略和控制平面維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，制定管理策略，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)狀態(tài)及負(fù)載數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)信息更新效果。(3)架構(gòu)技術(shù)原理推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。通過新型網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議解耦架構(gòu)層面之間的依賴性，從而促進(jìn)相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展,同時(shí)，采用可編程化方法實(shí)現(xiàn)精確定制應(yīng)用程序服務(wù)，極大方便用戶部署和測試新算法，有效提升網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新速度和效率。

3 關(guān)鍵技術(shù)梳理

目前，將SDN融合DWSN的研究還處于萌芽時(shí)期，研究者重在理論探討和驗(yàn)證SDN應(yīng)用于DWSN的可行性和必要性，而具體實(shí)踐性研究較少[12]。本節(jié)綜合相關(guān)文獻(xiàn)，從軟件定義功能角度降低安全威脅效果對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行梳理。主要體現(xiàn)在異構(gòu)互連、資源處理和控制管理3個(gè)方面的相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)，如表1所示。

3.1 異構(gòu)互連

為達(dá)到網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互連共享的需求，DWSN底層節(jié)點(diǎn)設(shè)備協(xié)議主流技術(shù)的實(shí)現(xiàn)均采用IEEE 802.15.4規(guī)范，最有代表性的是ZigBee和基于IPv6的低功耗個(gè)人局域網(wǎng)通訊技術(shù)6LoWPAN(IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network communication technologies)及流表技術(shù)配合應(yīng)用,能提升綜合性能約5%。另一方面，將SDN可編程化特征引入DWSN網(wǎng)絡(luò)底層傳感節(jié)點(diǎn)中，通過軟件定義無線電和軟件定義MAC實(shí)現(xiàn)軟件定制化數(shù)據(jù)包收發(fā)操作，實(shí)現(xiàn)SDDWSN異構(gòu)互連數(shù)據(jù)安全共享。

物理層和數(shù)據(jù)鏈路層主要采用軟件定義無線電SDR (Software Defined Radio)技術(shù)和軟件定義MAC SDMAC (Software Defined Media Access Control)技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連。SDR以自定義軟件程序驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)物理層射頻通信，SDMAC采用軟件定義方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議。具有代表性的關(guān)鍵技術(shù)，如OpenRadio和snapMac采用軟件定義接口方式屏蔽底層物理復(fù)雜性，支持異構(gòu)無線協(xié)議，成分似然性自動(dòng)詞性自動(dòng)標(biāo)注系統(tǒng)CLAWS(Constituent-Likelihood Automatic Word-tagging System)是一種自適應(yīng)無線系統(tǒng)，其功能是基于獨(dú)立硬件的FPGA方式實(shí)現(xiàn)軟件定義傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)協(xié)議棧跨層修改，Ziria編程環(huán)境是一種面向用戶的物理層編程語言和優(yōu)化編譯器；snapMac技術(shù)是利用SDN可編程化方法讓用戶對(duì)API接口進(jìn)行指令編程，實(shí)現(xiàn)定制MAC層協(xié)議，完成安全傳輸數(shù)據(jù)功能。

Table 1 Key technologies SDR and DWSN fusion表1 SDN融合DWSN相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)層，在DWSN框架中其路由是面向用戶精確設(shè)計(jì)的，故其路由效率低和數(shù)據(jù)共享性差，而在SDDWSN框架中其控制轉(zhuǎn)發(fā)模式是以數(shù)據(jù)為中心的可編程軟件路由與可編程硬件相結(jié)合的軟件定義路由模式，該模式可有效解決軟件定義路由網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全共享的難題。具有代表性的技術(shù)有實(shí)現(xiàn)面之間的通信OpenSig技術(shù)；依據(jù)內(nèi)置軟件編程模塊分離數(shù)據(jù)平面邏輯的控制信道和數(shù)據(jù)信道，支持網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)編程路徑規(guī)劃的軟件定義路由[13]技術(shù)；基于OpenFlow協(xié)議設(shè)計(jì)流規(guī)則安全匹配格式的Sensor OpenFlow技術(shù)；基于有限狀態(tài)機(jī)定義流表中動(dòng)作、匹配策略等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能的SDN-WISE技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)均需遵循一定的協(xié)議規(guī)范，而其核心要素是協(xié)議棧，將SDN和DWSN融合時(shí)，在以數(shù)據(jù)為中心的前提下，可采用SDR按需調(diào)制DWSN中物理層信號(hào)、SDMAC定制MAC層協(xié)議和軟件定義路由等方式定義網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議，從而有效實(shí)現(xiàn)SDDWSN之間的互連共享功能。

3.2 資源處理

DWSN如何高效利用有限能量完成盡可能多的事件是資源處理一個(gè)挑戰(zhàn)性新問題。SDN通過虛擬化方式實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的資源共享以及低占空比和網(wǎng)絡(luò)能量性能均衡是高效資源處理最大優(yōu)勢之一。

資源共享方面，SDN利用其網(wǎng)絡(luò)可編程虛擬化方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行邏輯隔離，解決DWSN面向用戶應(yīng)用精確定制服務(wù)所需大量物理資源的弊端問題和控制器由于資源不足造成的數(shù)據(jù)溢出問題等。DWSN物理層采用將節(jié)點(diǎn)硬件多應(yīng)用分配技術(shù)結(jié)合軟件定義應(yīng)用標(biāo)識(shí)地址實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流支持多應(yīng)用并發(fā)運(yùn)行的基于傳感節(jié)點(diǎn)的多應(yīng)用分配和部署環(huán)境UMADE(Utility-based Multi-application Allocation and Deployment Environments)復(fù)合技術(shù)[14]；網(wǎng)絡(luò)層采用WISE-Visor服務(wù)遷移策略，當(dāng)接入請求數(shù)量大于閾值時(shí)，則自動(dòng)劃分為多個(gè)子請求服務(wù)進(jìn)行遷移，實(shí)現(xiàn)SDDWSN網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)資源共享的目的。

能量性能方面，利用SDN框架可編程虛擬化思想實(shí)現(xiàn)軟件定義數(shù)據(jù)融合、低占空比等技術(shù)、算法和方式，實(shí)現(xiàn)減少節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)流的收發(fā)操作，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化規(guī)劃和能量均衡的目的。如依據(jù)可編程規(guī)范簡化無線局域網(wǎng)內(nèi)異質(zhì)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、通過用戶自定義編程設(shè)計(jì)鄰居連接算法的SDN-ECCKN睡眠調(diào)度機(jī)制、SDN路由器軟件定義的網(wǎng)絡(luò)重配置算法以及實(shí)現(xiàn)局域性路由器定位方式的定位節(jié)點(diǎn)選擇算法，以此優(yōu)化SDDWSN網(wǎng)絡(luò)局域能量性能，提高網(wǎng)絡(luò)能量有效性和事件處理效率。

3.3 控制管理

SDDWSN節(jié)點(diǎn)設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)流的控制事件分為控制邏輯和控制通道?？刂七壿嫽诰W(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)視圖依賴控制器對(duì)數(shù)據(jù)平面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和事件的可靠控制；控制通道與數(shù)據(jù)通道混合應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)專門路由實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由控制消息轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

在控制邏輯方面，由于SDN控制平面核心是控制器，通過分布式部署控制器構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)全局視圖，以此對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制事件下發(fā)對(duì)應(yīng)控制規(guī)則。如提升異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)管理節(jié)點(diǎn)性能的UbiFlow技術(shù)、具有零干擾和零擁塞包丟失功效的軟件定義實(shí)現(xiàn)資源合理規(guī)劃搭建而成的6TiSCH架構(gòu)[15]、對(duì)專用信道傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行干擾竊聽行為的單信道雙贏安全傳輸策略、結(jié)合傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流方向性的應(yīng)用存儲(chǔ)空間更新機(jī)制和增量一致更新方案等。

控制通道關(guān)鍵指標(biāo)為控制時(shí)延，TinySDN技術(shù)利用傳感節(jié)點(diǎn)建立通信和接收控制信息，利用控制節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建和管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，以此減小網(wǎng)絡(luò)平均控制時(shí)延。依據(jù)分離思想設(shè)計(jì)基于服務(wù)集標(biāo)識(shí)SSIDs (Service Set Identifiers)邏輯獨(dú)立的控制通道[16]技術(shù)增強(qiáng)傳輸時(shí)延容忍度、弱分布式控制方式增強(qiáng)全局網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延容忍度、混合路由方式屏蔽集中式和分布式缺點(diǎn)，提高了網(wǎng)絡(luò)路由控制的可靠性。

4 性能優(yōu)化分析

4.1 網(wǎng)絡(luò)路由性能

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于動(dòng)態(tài)感知、采集和收發(fā)信息數(shù)據(jù)，致使傳感節(jié)點(diǎn)需根據(jù)自身及其相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部網(wǎng)絡(luò)控制，不能有效解決節(jié)點(diǎn)能量損耗影響數(shù)據(jù)安全問題，不能確保路由負(fù)載限制事件處理能力。通過引入SDN控制轉(zhuǎn)發(fā)分離思路，設(shè)置控制器分布式動(dòng)態(tài)部署網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)，即由SDN控制器直接調(diào)取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行路由計(jì)算實(shí)現(xiàn)制定和管理路由策略。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)渲芷谛詣?dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，本文采用分布式局域區(qū)域計(jì)算多路徑和動(dòng)態(tài)響應(yīng)路由策略，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)路由發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，由突發(fā)事件所在局域區(qū)域路由器負(fù)責(zé)管理和調(diào)制局域網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)時(shí)地傳遞到突發(fā)區(qū)域，可有效彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)路由調(diào)整的數(shù)據(jù)丟失和滯后性。另外，還可基于SDN采用定位算法在控制平面或應(yīng)用平面實(shí)現(xiàn)分布式傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，解決資源受限的定位技術(shù)通信和計(jì)算開銷大的問題，完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的發(fā)現(xiàn)以及路由策略、全網(wǎng)狀態(tài)和負(fù)載數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)信息的更新。

基于SDN的集群路由協(xié)議考慮了傳感節(jié)點(diǎn)能量損耗和網(wǎng)絡(luò)全局路由動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡問題，該協(xié)議軟件定義控制器作為網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主節(jié)點(diǎn)，然后主節(jié)點(diǎn)根據(jù)控制單元的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由傳輸和路由限制等?shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)全局管控功能；其中控制單元定義一個(gè)SDN的OpenFlow交換機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流處理，其他交換機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集與動(dòng)作處理?；旌下酚赡Ｐ褪菍penFlow協(xié)議集成到鏈路狀態(tài)路由協(xié)議中，用來管理WSN網(wǎng)絡(luò)配置和網(wǎng)絡(luò)路由任務(wù)的一種模型。若有控制器，則由控制器通過選擇最佳路由路徑來管理流量并增加網(wǎng)絡(luò)資源利用率；若無控制器，就使用OpenvSwitch代理傳感節(jié)點(diǎn)選定特定距離矢量路由并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備和控制器之間的通信。另外，利用非線性權(quán)重粒子群優(yōu)化算法能最大限度地減小傳輸距離和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗，以及基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的分層自適應(yīng)路由算法也能有效優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能量、網(wǎng)絡(luò)全局路徑和吞吐量等。綜上可見，引入SDN能有效解決DWSN在動(dòng)態(tài)感知、節(jié)點(diǎn)設(shè)備和全局路由負(fù)載等方面存在的缺陷，大大提升網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)路由性能。

4.2 資源能量性能

DWSN耦合層間轉(zhuǎn)發(fā)和控制使層間資源能量受到限制，導(dǎo)致其精確復(fù)雜的控制算法無法應(yīng)用，嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和事件處理。通過引入SDN解耦方式使傳感節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)流與控制流分離，減少了數(shù)據(jù)平面的數(shù)據(jù)聚合和計(jì)算，優(yōu)化了層間數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)事件處理。將傳感節(jié)點(diǎn)的精確應(yīng)用程序調(diào)用到SDN架構(gòu)中，用以支持DWSN軟件定義層間可編程化多事件處理，實(shí)現(xiàn)能效最大化效果?；趶?qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制[17]結(jié)合SDN控制轉(zhuǎn)發(fā)分離思想將數(shù)據(jù)平面與控制平面分離，在控制平面的單一控制器流表中添加最優(yōu)匹配規(guī)則，實(shí)現(xiàn)平衡分布數(shù)據(jù)流，再根據(jù)分布數(shù)據(jù)流的權(quán)值和價(jià)值來過濾和負(fù)載平衡路由，以提高DWSN網(wǎng)絡(luò)的能源效率，減少控制性能開銷和控制器故障問題。

通過SDN對(duì)DWSN定義由數(shù)據(jù)平面軟件可編程門陣列和物理硬件微控制器單元組成的可重構(gòu)新型單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，在新型節(jié)點(diǎn)上運(yùn)用軟件定義功能實(shí)現(xiàn)具有滿足由環(huán)境變化或用戶請求引起的動(dòng)態(tài)“角色”機(jī)制，負(fù)責(zé)重分配數(shù)據(jù)處理事件，降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備能耗。在Sensor OpenFlow協(xié)議中，通過軟件編程定義節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)處理和多種類型尋址方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面與控制平面之間可定制流表的通信。另外，還可以使用基于IPv6的6LoWPAN協(xié)議通過軟件編程修改網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備，提供靈活的規(guī)則定義支持SDN的流表，完成有效跟蹤網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)尋址數(shù)據(jù)。

4.3 控制管理性能

由于SDN框架的解耦和虛擬化方式屏蔽了網(wǎng)絡(luò)底層硬件差異，故其能有效解決網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜控制管理問題。DWSN引入SDN的解耦思路，通過軟件定義可編程化方式實(shí)現(xiàn)物理基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)上的移除控制、重新配置和維護(hù)等功能，提高網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砗途W(wǎng)絡(luò)控制能力。另外，依據(jù)SDN控制平面的邏輯集中方式維護(hù)整個(gè)DWSN網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)控制器的依賴性，以及控制器分布式管理DWSN網(wǎng)絡(luò)所有路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由分布控制效果。

SDN控制器采用分布式結(jié)構(gòu)可克服集中式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。應(yīng)用SDN軟件定義集群DWSN傳感器網(wǎng)絡(luò)，由集群簇頭虛擬化分布式控制器實(shí)現(xiàn)控制通信接口和協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議[18]。Hyperflow以分布式文件為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多控制平面管控OpenFlow協(xié)議交換機(jī)，從而獲取全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｔ赟DN數(shù)據(jù)平面上添加具有控制功能和減少面間通信開銷的擴(kuò)展控制器，額外增強(qiáng)控制器控制功能。Difane擴(kuò)展控制器[19]依據(jù)OpenFlow交換機(jī)規(guī)則和選用全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高值交換機(jī)用來管理所轄局域區(qū)域范圍內(nèi)的普通交換機(jī)，以此分布式方式增加分組在控制器中處理控制的能力；DevoFlow中擴(kuò)展控制器采用規(guī)則復(fù)制和局部操作方式降低控制平面與數(shù)據(jù)平面間的通信開銷，解決OpenFlow交換機(jī)中的內(nèi)存限制問題；基于東西向管理軟件定義擴(kuò)展控制器[20]包括控制器設(shè)備管理策略和網(wǎng)絡(luò)管理策略，分別控制網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備和全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此擴(kuò)展控制器增強(qiáng)了SDDWSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)控制管理的安全性和簡單性。

5 案例應(yīng)用

鑒于目前基于SDN的理論研究與實(shí)際部署應(yīng)用還處于磨合階段，針對(duì)SDDWSN的研究仍處于發(fā)展初期，故本節(jié)設(shè)計(jì)一種教學(xué)互動(dòng)應(yīng)用案例模型，并依據(jù)此模型的場景應(yīng)用，通過對(duì)比分析安全性和事件處理流程及效率，體現(xiàn)出SDN引入到DWSN的優(yōu)勢及前景，為SDDWSN的進(jìn)一步研究提供參考。

5.1 場景設(shè)計(jì)

教學(xué)互動(dòng)應(yīng)用案例模型如圖3所示，學(xué)生所在實(shí)驗(yàn)室部署了基于ZigBee技術(shù)的智能學(xué)習(xí)監(jiān)測平臺(tái)系統(tǒng)(N1)，教師所在教師室則部署了采用6LoWPAN技術(shù)的公共教學(xué)監(jiān)測平臺(tái)系統(tǒng)(N2)，這2套平臺(tái)系統(tǒng)均通過校園網(wǎng)連接至行政區(qū)域校園網(wǎng)技術(shù)中心服務(wù)器(CWS)，以便學(xué)生與教師之間隨時(shí)互動(dòng)。教師終端(TT)和學(xué)生終端(ST)連接最近無線傳感控制節(jié)點(diǎn)(WAP)通過DWSN控制器(DWSN Controller)接入校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，教師終端可依據(jù)自身移動(dòng)智能卡通過移動(dòng)基站接入校園網(wǎng)服務(wù)器，另外，教師終端與學(xué)生終端也可調(diào)用終端APP連接就近WAP，通過SDN控制器進(jìn)行直接WiFi模式通信。教師終端、學(xué)生終端、校園網(wǎng)技術(shù)中心服務(wù)器之間有4條基本的通信數(shù)據(jù)信息傳輸路徑，即路徑A～路徑D，具體如表2所示。

Figure 3 Distributed wireless sensor network application case based on SDN圖3 基于SDN分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用案例

表2是圖3中所設(shè)計(jì)的4條通信數(shù)據(jù)信息傳輸路徑，每一條路徑上的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用技術(shù)均不相同，其中，路徑A為ST-WAP-SWSN Controller-CWS，其主要采用ZigBee技術(shù)搭建學(xué)習(xí)監(jiān)控平臺(tái)連通校園網(wǎng)；路徑B為TT-WAP-DWSN Controller-CWS，其主要采用6LoWPAN技術(shù)搭建教學(xué)監(jiān)控平臺(tái)連通校園網(wǎng)；路徑C為TT-移動(dòng)基站-CWS，其主要依賴移動(dòng)技術(shù)與校園網(wǎng)服務(wù)器相互通信；路徑D為ST-WAP-SDN Controller-SDN Controller-WAP-TT，主要采用ZigBee和6LoWPAN技術(shù)搭建監(jiān)控平臺(tái)，采用SDN控制器控制轉(zhuǎn)發(fā)分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制器的控制網(wǎng)絡(luò)路由和傳感設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能。另外，模型中路徑A、B和C要經(jīng)過校園或移動(dòng)基站才能到達(dá)校園網(wǎng)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)相互通信，而路徑D是直接通過SDN控制進(jìn)行數(shù)據(jù)控制轉(zhuǎn)發(fā)通信的，故就通信距離而言，路徑A、B和C比路徑D長。4條路徑的通信數(shù)據(jù)信息調(diào)制編碼速率等也可不一致，由于考慮到本應(yīng)用案例作為定性分析,故此忽略傳感節(jié)點(diǎn)時(shí)延等因素，定性假設(shè)路徑A、B和C數(shù)據(jù)通信傳輸時(shí)間與通信傳輸距離成正比，路徑A、B和C傳輸時(shí)間大于路徑D傳輸時(shí)間100倍以上?，F(xiàn)假設(shè)在課外時(shí)間里，教師在教師室，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室自主做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生臨時(shí)遇到難題急需教師指導(dǎo)。

Table 2 Communication data and information transmission path and application technology表2 通信數(shù)據(jù)信息傳輸路徑及應(yīng)用技術(shù)

5.2 對(duì)比分析

5.2.1 安全性對(duì)比分析

從安全威脅角度看，DWSN網(wǎng)絡(luò)主要安全威脅來自于網(wǎng)絡(luò)全局，SDDWSN框架主要安全威脅存在于控制器。SDDWSN框架通過采用分布式控制器部署方式和設(shè)計(jì)連接遷移方式動(dòng)態(tài)減少控制平面與數(shù)據(jù)平面的數(shù)據(jù)交互轉(zhuǎn)發(fā)操作，實(shí)現(xiàn)控制器狀態(tài)信息動(dòng)態(tài)更新及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)負(fù)載均衡等效果，此方式針對(duì)DWSN網(wǎng)絡(luò)可有效解決DWSN Controller數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)瓶頸和溢出等問題，以及消減由此引發(fā)的全網(wǎng)崩潰風(fēng)險(xiǎn)；另外，可利用SDN Controller中軟件定義和流量分析能力強(qiáng)化域控制器安全策略和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)細(xì)粒度，達(dá)到降低安全威脅效果。從故障恢復(fù)角度看，SDN Controller的自適應(yīng)算法檢測失效控制器，解決多域DWSN控制器失效問題，設(shè)計(jì)基于反向轉(zhuǎn)發(fā)思路采用鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議來更新DWSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)丟包率，達(dá)到消除故障的效果。從安全保障角度看，SDN Controller中用數(shù)據(jù)平面的虛擬IP地址代替真實(shí)IP地址，增大網(wǎng)絡(luò)安全性攻擊面分析，減緩數(shù)據(jù)流規(guī)則策略匹配和轉(zhuǎn)發(fā)安全威脅；控制平面通過多樣化技術(shù)和可信認(rèn)證等手段減少控制通道中的數(shù)據(jù)偽造、身份認(rèn)證、流表安全驗(yàn)證和拒絕服務(wù)攻擊等威脅；應(yīng)用平面通過可編程化軟件定義方式動(dòng)態(tài)更換數(shù)據(jù)緩存轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，改變數(shù)據(jù)流分布規(guī)律，并對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)位置隱私進(jìn)行保護(hù)，有效抵抗匯聚節(jié)點(diǎn)被跟蹤。安全性對(duì)比分析結(jié)果如表3所示。

Table 3 Comparative analysis of security表3 安全性對(duì)比分析

5.2.2 事件處理流程對(duì)比分析

本應(yīng)用案例模型中，DWSN 和SDDWSN的響應(yīng)事件處理流程如圖4所示。

Figure 4 Comparison of application case response event processing process 圖4 應(yīng)用案例響應(yīng)事件處理流程對(duì)比

從響應(yīng)事件安全性方面看，DWSN中所有數(shù)據(jù)流都必須經(jīng)過CWS處理，故其主要依賴終端的防火墻和傳感節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行監(jiān)控和傳輸，極易出現(xiàn)數(shù)據(jù)流飽和溢出現(xiàn)象，表現(xiàn)出弱安全性特點(diǎn)；SDDWSN中CWS收到ST請求后控制權(quán)限由SDN控制器直接下發(fā)給ST和TT，可實(shí)時(shí)收發(fā)重置流表。另外，由數(shù)據(jù)流和控制流相結(jié)合完成事件處理，有效避免數(shù)據(jù)流飽和溢出的缺陷，體現(xiàn)出強(qiáng)安全性特點(diǎn)。從響應(yīng)事件網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互連方面看，DWSN中部署B(yǎng)/S方式下無法通過CWS或TT的配置管理實(shí)現(xiàn)兩者的直接連通；而SDDWSN部署分布式方式下控制平面可直接對(duì)數(shù)據(jù)平面中傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行快速有效的配置管理，快速實(shí)現(xiàn)2套不同的平臺(tái)系統(tǒng)之間的互連。 從響應(yīng)事件傳感節(jié)點(diǎn)性能方面看，2種部署方案中傳感節(jié)點(diǎn)相同，無論是監(jiān)測范圍還是傳感精度，2種部署方案都能實(shí)現(xiàn)高效傳感功能。從響應(yīng)事件路由和負(fù)荷方面看，DWSN方案中每一條事件流程都必須由CWS存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，存在路由固定、時(shí)延大和CWS負(fù)荷大等缺點(diǎn)；SDDWSN方案中通過軟件定義方式在實(shí)際處理事件只用到路徑D，減少了CWS的負(fù)荷，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可直接通過傳輸時(shí)間最短的動(dòng)態(tài)可到路徑D相互收發(fā)，極大節(jié)省了傳輸時(shí)間，節(jié)約了終端及傳感節(jié)點(diǎn)的能量。事件處理可操作性對(duì)比分析結(jié)果如表4所示。

Table 4 Contrastive analysis of event handling maneuverability表4 事件處理可操作性對(duì)比分析

6 結(jié)束語

目前，SDN與DWSN的結(jié)合更好地滿足了感知物理世界的需求。然而，SDN技術(shù)發(fā)展仍不甚成熟，SDDWSN的研究也處于起步階段，故未來SDDWSN存在大量可能的研究方向，如SDDWSN節(jié)點(diǎn)配置、路由協(xié)議等。本文簡述了SDN融合WSN的必要性和SDDWSN通用框架，從異構(gòu)互連、資源處理和控制管理3個(gè)方面對(duì)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了梳理，從網(wǎng)絡(luò)路由、資源能量和控制管理3個(gè)方面對(duì)性能優(yōu)化進(jìn)行了分析，通過應(yīng)用案例對(duì)安全性和事件處理可操作性進(jìn)行了對(duì)比分析，能夠讓研究人員對(duì)目前所面臨的主要挑戰(zhàn)、業(yè)內(nèi)已有的解決方案以及未來的研究趨勢有一個(gè)詳細(xì)認(rèn)識(shí)，從而為SDDWSN的深入研究與實(shí)際應(yīng)用提供參考。