張耕強(qiáng),謝 鈞,楊章林

(陸軍工程大學(xué) 指揮控制工程學(xué)院,南京 210007)

1 引言

隨著現(xiàn)代軍事的發(fā)展,戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的復(fù)雜程度日益增加,對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笕諠u嚴(yán)格.目前戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)通信主要應(yīng)用移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(mobile ad-hoc networks,MANET)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的組織,MANET 需要在動(dòng)態(tài)變化的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境里實(shí)現(xiàn)帶寬分配、流量的路徑選擇以及維持末端節(jié)點(diǎn)到指揮中心的多跳連接[1].然而目前MANET路由協(xié)議雖然種類繁多,但受限于對(duì)等式結(jié)構(gòu)特點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)控能力較弱,節(jié)點(diǎn)間通信難以合理分配鏈路資源,在實(shí)際中對(duì)于復(fù)雜任務(wù)的支撐能力較弱.

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software-defined networking,SDN)近來(lái)成為優(yōu)化戰(zhàn)術(shù)MANET 通信能力的一種解決方案.SDN 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)可視化能力以及靈活的流量調(diào)控能力,能根據(jù)上層應(yīng)用需求,從全局網(wǎng)絡(luò)角度高效分配資源和選擇路徑,并在捕捉網(wǎng)絡(luò)變化后迅速進(jìn)行資源再配置,動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸路徑.利用SDN 協(xié)助MANET 進(jìn)行路由決策,能提高戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的完成質(zhì)量,但要將SDN 應(yīng)用至MANET,需要解決網(wǎng)絡(luò)可靠性、健壯性、安全性等一系列適應(yīng)性問(wèn)題,以面對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的各種變化.

本文針對(duì)SDN 技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)MANET 路由的應(yīng)用展開研究.首先介紹戰(zhàn)術(shù)MANET 路由現(xiàn)狀,而后介紹SDN 以及相關(guān)路由優(yōu)化研究說(shuō)明其對(duì)MANET 路由帶來(lái)的提升,最后從路由過(guò)程分析相關(guān)挑戰(zhàn)以及解決方案.

2 戰(zhàn)術(shù)MANET 路由現(xiàn)狀以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)

2.1 戰(zhàn)術(shù)MANET 路由

MANET 是一種臨時(shí)的多跳、去中心化的自組織分布式系統(tǒng),不依賴于固定基礎(chǔ)設(shè)施,同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的變化具有一定的適應(yīng)性,在戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)任務(wù)中多被應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的通信需求.網(wǎng)絡(luò)組成主要包含由部署在現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn),特種部隊(duì)攜帶的無(wú)線電和小型無(wú)人飛行器等,用于實(shí)現(xiàn)圖像采集以及其他戰(zhàn)術(shù)任務(wù)[2].該場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)主要有以下特點(diǎn):

網(wǎng)絡(luò)具有高動(dòng)態(tài)性.受戰(zhàn)術(shù)任務(wù)需求,戰(zhàn)術(shù)MANET網(wǎng)絡(luò)里的節(jié)點(diǎn)都需要具備移動(dòng)能力,在進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的同時(shí)應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況,如無(wú)人機(jī)、機(jī)動(dòng)通信車等都是具有較強(qiáng)移動(dòng)能力的常用設(shè)備.這決定了鏈路狀態(tài)會(huì)頻繁改變,網(wǎng)絡(luò)具有極高的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的端到端連接可能突然斷開,導(dǎo)致傳輸超時(shí)和路由故障.

帶寬資源匱乏.受環(huán)境決定,無(wú)線信道的狀況不佳,存在共享信道碰撞、信號(hào)衰減、噪音干擾等因素限制帶寬大小[3].

大量設(shè)備有能量限制.受戰(zhàn)術(shù)任務(wù)決定,如無(wú)人機(jī)等許多設(shè)備需要具有較小的體積以換取高度的靈活性或可攜帶性.其電量極為有限,在進(jìn)行移動(dòng)、通信等動(dòng)作時(shí)都會(huì)消耗電量,對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)轉(zhuǎn)有一定影響.

針對(duì)MANET 的特點(diǎn),許多路由協(xié)議被陸續(xù)提出.目前傳統(tǒng)MANET 路由協(xié)議大致分為6 類[4]:

(1)靜止式路由.每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)提前配置的固定路由表,按照表項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的路由.

(2)主動(dòng)式路由.這類路由協(xié)議以目的節(jié)點(diǎn)序列距離矢量協(xié)議(destination sequenced distance vector routing,DSDV)[5]為代表,網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)路由表,通過(guò)定期更新以及事件驅(qū)動(dòng)更新(如鏈路狀態(tài)變化等)保持其有效性.其優(yōu)勢(shì)為節(jié)點(diǎn)能根據(jù)最新的路由表快速選擇下一跳,優(yōu)化一定的傳輸時(shí)延.然而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí),其維護(hù)路由表的控制開銷較大,同時(shí)收斂時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)于網(wǎng)絡(luò)變化的反應(yīng)較慢.

(3)反應(yīng)式路由.這類路由協(xié)議以無(wú)線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議(ad hoc on-demand distance vector routing,AODV)[6]為代表,只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要通信時(shí)才進(jìn)行尋路.源節(jié)點(diǎn)以廣播的方式將路由請(qǐng)求包傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn),通過(guò)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的回復(fù)建立數(shù)據(jù)傳輸路徑.

(4)混合式路由.此類協(xié)議綜合了主動(dòng)式路由和反應(yīng)式路由.以區(qū)域路由協(xié)議(zone routing protocol,ZRP)協(xié)議為例,其將網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)區(qū)域,域內(nèi)進(jìn)行主動(dòng)式路由,域間進(jìn)行按需式路由.

(5)基于地理位置路由.這類路由協(xié)議假設(shè)節(jié)點(diǎn)位置已知,下一跳節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)方向的一跳鄰居節(jié)點(diǎn).其特點(diǎn)為不需要路徑的建立和維持,同時(shí)不需要存儲(chǔ)各類路由信息,在快速變化的環(huán)境里具有很好的適應(yīng)性.

(6)層次式路由.這種路由方式通常按簇或者區(qū)域的方式將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)子網(wǎng)絡(luò),不同子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部或者子網(wǎng)絡(luò)之間視層次結(jié)構(gòu)可按不同的方式進(jìn)行路由.

表1 針對(duì)各類MANET 路由協(xié)議做出了特點(diǎn)總結(jié)以及優(yōu)勢(shì)缺陷的對(duì)比.靜止式協(xié)議由于缺乏對(duì)變化的處理能力,所以并不適合拓?fù)渥兓斓木W(wǎng)絡(luò);主動(dòng)式協(xié)議在進(jìn)行路由選擇時(shí)能根據(jù)定期維護(hù)的路由表進(jìn)行快速地匹配轉(zhuǎn)發(fā),然而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí),其維護(hù)路由表的控制開銷大.更重要的是,主動(dòng)式協(xié)議在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)里收斂時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)于網(wǎng)絡(luò)變化的反應(yīng)較慢,在拓?fù)淇焖僮兓那闆r下,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可能無(wú)法及時(shí)獲取最新的拓?fù)湫畔7];被動(dòng)式協(xié)議雖然不需要節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由表,然而源節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)前需要首先發(fā)起路由請(qǐng)求,等待其余節(jié)點(diǎn)回復(fù),建立完整的傳輸路徑后再開始傳輸,會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的傳輸時(shí)延,不適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸.

表1 MANET 路由協(xié)議對(duì)比

混合式路由對(duì)主動(dòng)式的開銷問(wèn)題和反應(yīng)式的時(shí)延問(wèn)題進(jìn)行了一定的平衡.相較于主動(dòng)式路由,混合式路由可以大大減少控制消息的數(shù)量,因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)僅需要在每個(gè)域內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間維護(hù)更新的拓?fù)湫畔?相較于被動(dòng)式路由,混合式路由能有效提升域內(nèi)路由的速度.然而當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸建立在屬于不同域的節(jié)點(diǎn)間時(shí),該類協(xié)議依舊會(huì)由于網(wǎng)絡(luò)以反應(yīng)性方式搜索路徑而引入明顯的延遲.

基于地理位置的路由協(xié)議既不需要節(jié)點(diǎn)主動(dòng)維護(hù)路由表,同時(shí)在節(jié)點(diǎn)需要傳輸時(shí)能根據(jù)地理位置快速?zèng)Q定下一跳,因此在MANET 里具有優(yōu)良的表現(xiàn).然而由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)是根據(jù)地理位置進(jìn)行下一跳的選擇,易出現(xiàn)局部最優(yōu)、路由環(huán)路等問(wèn)題.所以其應(yīng)用需要對(duì)下一跳的選擇算法進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì).其次,在實(shí)際無(wú)線信道中位置信息的精確度會(huì)受信號(hào)的衰減、噪聲干擾等而出現(xiàn)一定的偏差,也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生影響.

層次式路由在實(shí)際中較適合在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中部署.然而由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性,需要詳細(xì)考慮簇的動(dòng)態(tài)組成以提高適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化的能力[8].

傳統(tǒng)MANET 路由協(xié)議雖然針對(duì)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì),但各自存在著應(yīng)用的缺陷.其根源在于無(wú)論是哪一種協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)整體基于對(duì)等式結(jié)構(gòu)建立,端到端的路徑需要通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地信息獨(dú)立選擇下一跳拼接組合.為了獲取路由所需信息,各節(jié)點(diǎn)需要自身感知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)的反饋建立傳輸路徑.由于各節(jié)點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)輕便快速的通信,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)里的信道資源難以高效合理地分配,易造成鏈路負(fù)載不均、網(wǎng)絡(luò)堵塞等問(wèn)題[9],無(wú)法為應(yīng)用流量提供高質(zhì)量的服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)保障;此外,MANET路由協(xié)議對(duì)于不同應(yīng)用的流量難以提供差異性的服務(wù),對(duì)于多應(yīng)用的服務(wù)能力較差.這些原因?qū)е翸ANET路由協(xié)議在實(shí)際中能提供的服務(wù)質(zhì)量有限,難以達(dá)到預(yù)期效果.

2.2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)今社會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求日益增多,然而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)需要通過(guò)定制硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)功能,同時(shí)設(shè)計(jì)大量的特定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行控制.這既增加了開發(fā)成本,也加大了人工管理的難度[10].SDN 提倡網(wǎng)絡(luò)實(shí)行集中式控制并部署運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議的硬件設(shè)備,被認(rèn)為是突破傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)瓶頸的有效方案.如圖1所示,SDN 架構(gòu)從上至下依次分為應(yīng)用層、控制層、數(shù)據(jù)層3 層,其解耦傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的控制邏輯和數(shù)據(jù)邏輯,構(gòu)建了一個(gè)邏輯上集中的控制平面以進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)全局信息的轉(zhuǎn)發(fā)行為決策,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程化以動(dòng)態(tài)制定差異化的服務(wù)策略,最終適配不同上層應(yīng)用需求.

圖1 SDN 架構(gòu)

應(yīng)用層主要由網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用組成,負(fù)責(zé)根據(jù)業(yè)務(wù)需求制定流量策略,并通過(guò)北向接口在一個(gè)抽象網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行操作,實(shí)現(xiàn)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用;控制層主要負(fù)責(zé)通過(guò)南向接口與數(shù)據(jù)層設(shè)備進(jìn)行交互,收集鏈路端口等信息構(gòu)建全局網(wǎng)絡(luò)視圖,從而可視化網(wǎng)絡(luò)資源并將其提供給應(yīng)用層,使得網(wǎng)絡(luò)能從全局角度針對(duì)性地規(guī)劃各應(yīng)用流量傳輸路徑;轉(zhuǎn)發(fā)層由底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成,負(fù)責(zé)根據(jù)控制層下發(fā)的流表交換處理數(shù)據(jù).

SDN 分離了控制層與數(shù)據(jù)層,不僅能從全局角度規(guī)劃流量路徑,同時(shí)數(shù)據(jù)僅在單層轉(zhuǎn)發(fā),減小了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和資源浪費(fèi);SDN 還使用了流表指導(dǎo)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備工作,加快了對(duì)流量的執(zhí)行速度[11];此外SDN 使用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議管理網(wǎng)絡(luò),不僅簡(jiǎn)化了管理難度,同時(shí)加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和多應(yīng)用服務(wù)的管理能力.網(wǎng)絡(luò)可對(duì)全網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行全局統(tǒng)一管理和動(dòng)態(tài)配置,從而實(shí)現(xiàn)靈活高效的資源分配和協(xié)同[12].這些對(duì)于MANET 為各種戰(zhàn)術(shù)任務(wù)提供高質(zhì)量的QoS 路由保障都是很好的補(bǔ)充.

3 基于SDN 的MANET 路由研究

由于MANET 的高度分布式性質(zhì),每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能根據(jù)本地信息實(shí)現(xiàn)局部路徑最優(yōu),而難以達(dá)到全局最優(yōu).即使是針對(duì)不同流量的QoS 路由方案,也會(huì)出現(xiàn)如QoS 需求沖突、流量管理策略難以更改等問(wèn)題[13].而由于全局視圖的存在,SDN 在進(jìn)行路由決策時(shí)能考慮到網(wǎng)絡(luò)的流量分布,合理調(diào)控不同應(yīng)用流量的傳輸路徑,在提供優(yōu)質(zhì)的路由決策的同時(shí)減小網(wǎng)絡(luò)堵塞發(fā)生的可能[14];其次,SDN 通過(guò)控制器下發(fā)流表,可以減小各節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由表的控制開銷或者源節(jié)點(diǎn)尋路的較長(zhǎng)時(shí)延;最后,有電池電量限制的便攜式節(jié)點(diǎn)的工作被大大簡(jiǎn)化,減小了電池電量的消耗.

近來(lái)已有研究致力于利用SDN 進(jìn)行MANET 的路由優(yōu)化,并在可靠性、時(shí)延、吞吐量等方面帶來(lái)了不錯(cuò)的提升.作為這方面的一個(gè)先驅(qū),文獻(xiàn)[15]實(shí)現(xiàn)了一個(gè)SDN 和MANET 結(jié)合的簡(jiǎn)單原型,模擬了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的鏈路斷開/恢復(fù)的過(guò)程,通過(guò)與最優(yōu)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(optimized link state routing,OLSR)進(jìn)行對(duì)該變化的反應(yīng)時(shí)間比對(duì),證明了SDN 加快了網(wǎng)絡(luò)對(duì)鏈路變化的反應(yīng)速度,并提升了網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量;文獻(xiàn)[16]利用SDN 構(gòu)建全局視圖,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)傳輸路徑的計(jì)算并下發(fā)給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn),而后通過(guò)和OLSR、AODV 等多種MANET 路由協(xié)議比對(duì),證明了SDN 路由在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)里的優(yōu)越性.除此之外,還有許多研究在如傳輸成功率、時(shí)延等QoS 要求或者視頻傳輸、災(zāi)區(qū)通信等具體應(yīng)用方面取得了不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)成果.文獻(xiàn)[17]面向?yàn)?zāi)區(qū)通信場(chǎng)景,對(duì)于有時(shí)延、傳輸成功率、設(shè)備電量等限制要求的網(wǎng)絡(luò)流量,將SDN 與MANET 結(jié)合,并應(yīng)用了優(yōu)先級(jí)算法,很好地降低了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生的不良影響,保障了視頻流量的QoS 質(zhì)量;文獻(xiàn)[18]結(jié)合SDN 與MANET 進(jìn)行水電站移動(dòng)監(jiān)控.其將樹莓派與各種傳感器集成到低成本硬件中,組成負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的MANET 節(jié)點(diǎn),并通過(guò)Ad hoc 協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng).此外,每個(gè)MANET 節(jié)點(diǎn)都配備了OpenFlow 交換機(jī)軟件,以實(shí)現(xiàn)SDN 的集中控制.最后,其對(duì)OpenFlow 協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展,提供移動(dòng)性和敏感性操縱等物理動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)了水電站的移動(dòng)監(jiān)控.文獻(xiàn)[19]針對(duì)流媒體傳輸,利用網(wǎng)絡(luò)演算理論求解了流QoS 參數(shù)的確定性上界,并進(jìn)行了歸一化,建立多約束QoS 資源分配模型;此外其設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了包括流表調(diào)度模型、路由功能、測(cè)量轉(zhuǎn)發(fā)模塊的基于SDN 的流媒體網(wǎng)絡(luò)QoS 路由系統(tǒng),提出了基于網(wǎng)絡(luò)演算的多約束QoS 路由算法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其提出的多約束QoS 資源分配模型和基于SDN 的多約束集中QoS 路由算法具有良好的性能.

下面就相關(guān)路由研究進(jìn)行分類介紹:

3.1 最短路由

最短路由一般針對(duì)帶寬、跳數(shù)、時(shí)延等不同優(yōu)化目標(biāo)選取鏈路權(quán)重式,按Dijkstra 算法選出最佳路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.文獻(xiàn)[20]從拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、路徑請(qǐng)求、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)更新等方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),以剩余電量作為下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)選擇路徑,最終相較于OLSR、AODV,提升了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間.

3.2 流量分類路由/優(yōu)先級(jí)路由

SDN 能根據(jù)從數(shù)據(jù)平面收集的網(wǎng)絡(luò)信息合理規(guī)劃鏈路資源,為不同應(yīng)用流量進(jìn)行優(yōu)先級(jí)路由服務(wù).文獻(xiàn)[21]應(yīng)用SDN 進(jìn)行MANET 的流量調(diào)度,提出了路由算法RaDRT:SDN 控制器會(huì)通過(guò)定期收集以及事件驅(qū)動(dòng)兩種方式定期更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài).在最初選路時(shí),控制器會(huì)根據(jù)鏈路的可用帶寬,并驗(yàn)證其長(zhǎng)期連通性來(lái)選擇穩(wěn)定高速率的路徑;在傳輸過(guò)程中,控制器會(huì)再次計(jì)算最佳路徑以應(yīng)對(duì)如鏈路已飽和或不可用等會(huì)影響QoS 的突發(fā)事件.如果路徑已經(jīng)飽和,控制器會(huì)按10% 的步幅限制其他低優(yōu)先級(jí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸吞吐量,以保障高優(yōu)先級(jí)流量的QoS 需求.仿真結(jié)果顯示RaDRT 有效提高了吞吐量,同時(shí)能為高優(yōu)先級(jí)流量提供良好的服務(wù)質(zhì)量.

對(duì)于有時(shí)延要求的實(shí)時(shí)音頻流量,文獻(xiàn)[22]通過(guò)分析控制器從數(shù)據(jù)平面節(jié)點(diǎn)收集到的流信息,對(duì)控制數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)等不同種類的流量賦予不同的優(yōu)先級(jí),解決了網(wǎng)絡(luò)由于需要支持不同應(yīng)用而難以有效管理和分配資源的問(wèn)題,同時(shí)滿足了對(duì)時(shí)延敏感的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)要求.

3.3 層次式路由

為了解決控制器和數(shù)據(jù)平面頻繁交互的開銷問(wèn)題,文獻(xiàn)[23]結(jié)合SDN 提出了一種層次式的中心化路由協(xié)議CATMAN.數(shù)據(jù)層分為兩種網(wǎng)絡(luò)元素,一種為只具有短距離通信接口的普通節(jié)點(diǎn)(NN),另一種為同時(shí)具有短距離和長(zhǎng)距離通信接口的fog 節(jié)點(diǎn)(FN).NN 以主動(dòng)廣播的方式維持其2 跳以內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息,每個(gè)NN 需要在2 跳內(nèi)找到一個(gè)FN,當(dāng)在2 跳內(nèi)無(wú)FN時(shí)則廣播自己的鄰居節(jié)點(diǎn)消息,離其最近的FN 收到后則會(huì)根據(jù)此消息構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)局部視圖.在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)里,SDN 控制器只和FN 交互,構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并下發(fā)相應(yīng)流表到FN.當(dāng)節(jié)點(diǎn)間通信時(shí),若源節(jié)點(diǎn)自身有目的節(jié)點(diǎn)的信息則直接根據(jù)路由表通信,否則發(fā)送路由請(qǐng)求信息到自己的所屬的FN,由FN 負(fù)責(zé)查詢目的節(jié)點(diǎn)的信息,若FN 發(fā)現(xiàn)兩節(jié)點(diǎn)都是自己負(fù)責(zé)的NN,則返回路由回復(fù)信息,否則查詢控制器得到路徑,而后發(fā)送路由回復(fù)到源節(jié)點(diǎn).這種在數(shù)據(jù)平面分層的方法,有效減少了控制器和數(shù)據(jù)平面節(jié)點(diǎn)的交互開銷.實(shí)驗(yàn)表明CATMAN 的控制開銷要明顯低于BATMAN 協(xié)議,同時(shí)只造成了可忽略的時(shí)延增長(zhǎng).

文獻(xiàn)[24]在思考SDN 與傳統(tǒng)MANET 結(jié)合的方法時(shí),提出了SDN 結(jié)合簇的方法:簇間路由由SDN控制器負(fù)責(zé),而簇內(nèi)則按MANET 方法進(jìn)行組織.當(dāng)有數(shù)據(jù)需要跨簇時(shí),控制器首先計(jì)算流量需要經(jīng)過(guò)的簇的順序,而后反饋給發(fā)送方.發(fā)送方以此作為根據(jù)進(jìn)行簇間的路由,在簇內(nèi)則根據(jù)不同簇的特點(diǎn),以特定的路由協(xié)議方法進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā).文獻(xiàn)[25]也結(jié)合了簇與SDN,簇頭負(fù)責(zé)收集簇內(nèi)信息和簇內(nèi)路由,控制器則通過(guò)簇頭構(gòu)建全網(wǎng)抽象視圖提供跨簇路由服務(wù).而后依次提出了RMCMS、PMCMS 以及MPMCMS 三種多播路由方法,前兩種分別通過(guò)反應(yīng)式和主動(dòng)式降低開銷、減少時(shí)延,而M-PMCMS 在網(wǎng)絡(luò)變化后使用增量方法僅發(fā)送更改的信息到控制器以減少更新的控制開銷,同時(shí)保留主動(dòng)式路由的低時(shí)延優(yōu)勢(shì).仿真結(jié)果顯示相較于MAODV,M-PMCMS 減少了時(shí)延以及丟包率.

3.4 多路徑路由

多路徑路由相較于單路徑路由對(duì)于鏈路狀態(tài)變化具有更好的平滑能力.其根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源信息,將通信流量分散至多條滿足業(yè)務(wù)要求的路徑上傳輸,在提升網(wǎng)絡(luò)鏈路資源利用率的同時(shí),能減輕MANET 易出現(xiàn)的鏈路狀態(tài)變化所造成的傳輸波動(dòng),提高可靠性和吞吐量.文獻(xiàn)[26]結(jié)合SDN 與MPTCP,使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通過(guò)部署了SDN 設(shè)備的無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星兩種路徑進(jìn)行傳輸,避免了當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)因自身移動(dòng)而脫離無(wú)人機(jī)發(fā)信范圍時(shí)發(fā)生的服務(wù)中斷問(wèn)題;SDN 控制器負(fù)責(zé)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量分布情況,應(yīng)用FDM(flow deviation method)算法[27]進(jìn)行帶寬資源的合理分配,最終提升了傳輸?shù)耐掏铝?

文獻(xiàn)[28]針對(duì)距離相近的多架無(wú)人機(jī)可能被同一惡意節(jié)點(diǎn)干擾,從而導(dǎo)致相近鏈路都被惡意消耗,同一路由的多條路徑都被干擾的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的多路徑路由算法:控制器首先根據(jù)全局視圖算出最優(yōu)路徑,而后算出多條與最優(yōu)路徑不相交、同時(shí)具有較遠(yuǎn)距離的路徑,最終有效提高了數(shù)據(jù)包的傳輸成功率,但增加了一定的時(shí)延.

3.5 混合網(wǎng)絡(luò)路由

戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)組成元素復(fù)雜,各種標(biāo)準(zhǔn)的通信設(shè)備已經(jīng)大量部署,若是要加入SDN 元素,則需考慮到成本、部署復(fù)雜度等問(wèn)題.比較實(shí)際的方案是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部署SDN 設(shè)備,其余仍然使用傳統(tǒng)設(shè)備協(xié)同實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)任務(wù).文獻(xiàn)[29]將SDN 設(shè)備部署在具有較強(qiáng)通信能力的地面節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)末端偵查無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)拍攝的視頻傳輸給指揮中心,取得了良好的基于用戶反饋的主觀指標(biāo)MOS(mean opinion score).

文獻(xiàn)[30]將SDN 引入了網(wǎng)絡(luò)路由,設(shè)計(jì)了一種基于SDN 轉(zhuǎn)發(fā)和開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(open shortest path first,OSPF)的混合路由轉(zhuǎn)發(fā)算法HRFA.這種混合路由將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為常規(guī)節(jié)點(diǎn)和SDN 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇有效的轉(zhuǎn)發(fā)策略,以求在利用SDN 提高網(wǎng)絡(luò)的路由性能時(shí)與傳統(tǒng)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)相兼容.結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的路由轉(zhuǎn)發(fā)方法相比,HRFA 可以很好地提高吞吐量,減少時(shí)延和丟包率.

表2 給出了以上相關(guān)路由研究的總結(jié).

表2 SDN 在MANET 路由的相關(guān)路由研究

4 存在問(wèn)題

SDN 交換設(shè)備依賴流表進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā).當(dāng)本地?zé)o匹配結(jié)果時(shí),數(shù)據(jù)層設(shè)備需要通過(guò)南向接口請(qǐng)求控制器下發(fā)新的流表.如圖2所示,整個(gè)路由轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程需要依次經(jīng)過(guò)請(qǐng)求流表、流表下發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)3 個(gè)步驟.

圖2 流表請(qǐng)求過(guò)程

將SDN 應(yīng)用至戰(zhàn)術(shù)MANET 路由的問(wèn)題主要如下面5 個(gè).

4.1 控制層可靠性

MANET 對(duì)等式結(jié)構(gòu)的高健壯性是其能在機(jī)動(dòng)通信場(chǎng)景里得到廣泛的應(yīng)用的一個(gè)主要原因.在MANET內(nèi),不存在中心節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)自身發(fā)送探測(cè)包對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行感知,基于節(jié)點(diǎn)間的反饋信息進(jìn)行路由決策,不存在單點(diǎn)失效(single point of failure,SPoF)問(wèn)題,對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的離開或加入具有一定的自主調(diào)整能力.而SDN 所主張的由邏輯集中的控制層進(jìn)行全網(wǎng)流量的路徑規(guī)劃,雖然能從網(wǎng)絡(luò)全局角度出發(fā)合理分配資源,但同時(shí)極大突出了控制層的角色.控制層需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)所有設(shè)備統(tǒng)一管理,收集端口信息、鏈路狀態(tài)信息并通過(guò)下發(fā)流表的方式控制數(shù)據(jù)層流量的轉(zhuǎn)發(fā),隨著平面的解耦,轉(zhuǎn)發(fā)和控制平面之間的連接是否處于活動(dòng)狀態(tài)極為重要[31].而在機(jī)動(dòng)通信場(chǎng)景里,節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和信道的不可靠性難以保證控制器可以和數(shù)據(jù)層進(jìn)行穩(wěn)定的交互,狀態(tài)信息收集、流表下發(fā)在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較差時(shí)可能難以保證.因外界干擾,造成控制器故障中斷服務(wù)時(shí)會(huì)數(shù)據(jù)層會(huì)無(wú)法及時(shí)收到有效的流表,極可能造成網(wǎng)絡(luò)大面積癱瘓.此時(shí),數(shù)據(jù)平面的路由轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)法進(jìn)行,戰(zhàn)術(shù)任務(wù)難以開展.

4.2 流表下發(fā)時(shí)間

平面的分離意味著平面之間的額外通信需求,這可能增加轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量的延遲[32].SDN 設(shè)備完全按照控制器下發(fā)的流表匹配數(shù)據(jù)包,對(duì)流量進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄等相應(yīng)動(dòng)作.控制器為流設(shè)置路徑時(shí),需要和該路徑上所有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)交互,配置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)流表項(xiàng).在這種情況下,SDN 面臨的主要挑戰(zhàn)是控制器需要在多個(gè)交換設(shè)備間實(shí)現(xiàn)快速更新,以減少網(wǎng)絡(luò)收斂時(shí)間[33].然而相較于有線網(wǎng)絡(luò),MANET 一是沒有穩(wěn)定充足的帶寬資源支持,二是控制器所部署節(jié)點(diǎn)和不同位置的節(jié)點(diǎn)之間的交互時(shí)長(zhǎng)會(huì)存在一定的差異,部分節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)多跳連接和控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換.這些特點(diǎn)都可能會(huì)影響控制器更新流表的有效性.

4.3 控制開銷

MANET 節(jié)點(diǎn)都具有一定的移動(dòng)性,當(dāng)其快速運(yùn)動(dòng)時(shí)鏈路狀態(tài)會(huì)頻繁地變化,造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有極強(qiáng)的不穩(wěn)定性.控制器為了維持有效全面的全局網(wǎng)絡(luò)視圖,需要頻繁與所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互,收集最新的網(wǎng)絡(luò)信息如端口數(shù)據(jù)、鏈路狀態(tài)等.該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的控制開銷,在帶寬較窄,網(wǎng)絡(luò)資源有限的戰(zhàn)場(chǎng)通信環(huán)境會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成極大的開銷負(fù)擔(dān).然而目前兩個(gè)平面之間的數(shù)據(jù)路由和負(fù)載均衡的組合問(wèn)題缺乏實(shí)際研究,平面間的通信開銷也沒有得到很好的評(píng)估[34].

4.4 混合網(wǎng)絡(luò)元素

在實(shí)際應(yīng)用中,考慮到現(xiàn)有設(shè)備已大量部署,SDN設(shè)備的普及需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的過(guò)渡期,部署數(shù)量,部署位置等問(wèn)題都需要細(xì)致考慮.此外,如何在加入部分SDN設(shè)備優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的同時(shí),使得現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與之協(xié)同工作也是需要思考的問(wèn)題.如今雖然已有方案提議控制器和節(jié)點(diǎn)間維持集中控制組網(wǎng),節(jié)點(diǎn)間維持自組織網(wǎng)絡(luò),但仍然缺乏與之相適應(yīng)的路由機(jī)制[1].

4.5 擴(kuò)展性

擴(kuò)展性問(wèn)題是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)常見問(wèn)題.在SDN網(wǎng)絡(luò)里,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時(shí),控制層的負(fù)擔(dān)也會(huì)隨之加重,每次網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)都需要處理大量的控制信息,而戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境匱乏的帶寬資源無(wú)法為控制器提供強(qiáng)有力的支撐.除此之外,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)張時(shí),網(wǎng)絡(luò)的收斂速度會(huì)更加緩慢,影響到對(duì)上層應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量.

5 解決方法

SDN 技術(shù)最初是針對(duì)資源充足、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì),而無(wú)固定設(shè)施、多跳傳輸、帶寬資源匱乏、節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性等是戰(zhàn)術(shù)MANET 特點(diǎn).要利用SDN 技術(shù)改善戰(zhàn)術(shù)MANET 路由,需要針對(duì)MANET的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),對(duì)SDN 結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的修改或者添加額外的功能.

5.1 分布式控制:分散控制負(fù)擔(dān)

分布式控制通過(guò)增加控制器的數(shù)量,利用冗余性將控制負(fù)擔(dān)分散從而適配大規(guī)模網(wǎng)絡(luò).在SDN 里,分布式控制平面可以是控制器的集中式群集,也可以是物理上分布式的元素集合.一般第一種選擇可以為設(shè)備密集的數(shù)據(jù)中心提供高吞吐量,但后者對(duì)各種故障具有更大的彈性,更適合不確定度高的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境.

多控制器可以有效解決SD-MANET 的可靠性、擴(kuò)展性問(wèn)題.相較于單控制器,多控制器通過(guò)管理一定區(qū)域內(nèi)的小數(shù)量設(shè)備來(lái)分擔(dān)控制平面的工作,同時(shí)可以通過(guò)將多個(gè)控制器分配給一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)提高兩層連接的穩(wěn)定性.這種方式OpenFlow 1.3[35]已提供支持,控制器共有3 種角色:Master、Slave、Equal.一個(gè)交換機(jī)只能與一個(gè)Master 控制器連接,當(dāng)控制器角色為Equal 時(shí),各個(gè)控制器作用相同,都可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作.當(dāng)節(jié)點(diǎn)難以和Master 控制器取得聯(lián)系時(shí),可以選擇從其他預(yù)先分配的控制器中選擇一個(gè)作為替代,以保證流表的及時(shí)下發(fā).

文獻(xiàn)[36]提出兩種戰(zhàn)場(chǎng)分布式控制SDN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).如圖3所示,分布式控制可以按照左側(cè)聯(lián)合式和右側(cè)層次式兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織.在聯(lián)合式結(jié)構(gòu)里,多個(gè)地位對(duì)等的控制器組成控制平面,互相同步網(wǎng)絡(luò)信息.一般各控制器各自負(fù)責(zé)一定區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的信息收集,路徑規(guī)劃和流表下發(fā);層次式機(jī)構(gòu)則由局部控制器和全局控制器組成.以3 層結(jié)構(gòu)為例,所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成數(shù)據(jù)平面,多個(gè)局部控制器組成局部控制層,而在局部控制器一層上一個(gè)總的控制器組成第3 層總控制層.在此結(jié)構(gòu)中,全局控制器負(fù)責(zé)根據(jù)局部控制器上報(bào)的局部網(wǎng)絡(luò)信息構(gòu)造全局網(wǎng)絡(luò)視圖,而局部控制器則負(fù)責(zé)與負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互,以此構(gòu)造局部拓?fù)?下發(fā)區(qū)域內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)的流表;此外,總控制器負(fù)責(zé)給局部控制器下發(fā)域間的流表項(xiàng),以引導(dǎo)域間的流量.

圖3 聯(lián)合式控制與層次式控制

當(dāng)有足夠的資源時(shí),控制器可以維持網(wǎng)絡(luò)全局詳細(xì)拓?fù)湫畔?為所有數(shù)據(jù)流提供細(xì)粒度的服務(wù).但在帶寬資源不足,控制器處理能力有限時(shí),維持全局網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不是必須的.文獻(xiàn)[37]針對(duì)鏈路資源有限的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在層次式結(jié)構(gòu)里,應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)抽象方法,如圖4所示,每個(gè)域被抽象為一臺(tái)多端口的交換機(jī),總控制器只需要通過(guò)局部控制器上報(bào)的域邊界端口鏈路情況提供域間路由服務(wù),而域內(nèi)路由則由局部控制器負(fù)責(zé),降低了網(wǎng)絡(luò)開銷.此外,當(dāng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)抽象時(shí),這種層次式結(jié)構(gòu)可以提高戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)密性,各局部控制器只知道所負(fù)責(zé)局部拓?fù)?而不需要請(qǐng)求其他域的內(nèi)部信息;全局控制器也只知道抽象的全局拓?fù)湫畔?并不保留各域的內(nèi)部構(gòu)成.這種結(jié)構(gòu)能有效滿足聯(lián)合作戰(zhàn)的安全性和機(jī)密性需求,使得不同來(lái)源的部隊(duì)之間遵守NTK(need-to-know)原則[38].

圖4 網(wǎng)絡(luò)抽象

分布式控制雖然可以改善戰(zhàn)術(shù)MANET 的擴(kuò)展性和可靠性,但依舊存在著問(wèn)題.文獻(xiàn)[39]詳細(xì)研究了分布式控制的交換機(jī)遷移過(guò)程,提出當(dāng)新舊控制器間的控制權(quán)交接、節(jié)點(diǎn)和新控制器建立連接兩個(gè)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生大量的控制開銷,消耗一定的帶寬資源并伴隨著一定的時(shí)延;此外,各控制器之間需要交互同步網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息以滿足跨域請(qǐng)求,產(chǎn)生的控制開銷對(duì)于資源缺乏的戰(zhàn)術(shù)MANET 是較為沉重的負(fù)擔(dān),需要考慮多長(zhǎng)時(shí)間各控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)視圖的同步,協(xié)調(diào)控制器做出的管理決策[40].最后,多控制器的數(shù)量、部署位置會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)多個(gè)方面,例如性能指標(biāo)、可用性、容錯(cuò)、收斂時(shí)間等[41].因此,在MANET 里確定SDN 控制器的數(shù)量和放置是需要細(xì)致考慮的問(wèn)題之一.文獻(xiàn)[42-44]對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究,然而并不存在適用于任何網(wǎng)絡(luò)的固定規(guī)則.

5.2 混合式控制:下發(fā)控制功能

控制層與數(shù)據(jù)層完全分離難以有效處理MANET的高變化性產(chǎn)生的問(wèn)題,完全集中式的控制決定了每次相關(guān)鏈路發(fā)生變化,轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備必須要控制器下發(fā)新流表才能繼續(xù)工作.為了保留傳統(tǒng)MANET 的健壯性,同時(shí)利用SDN 的流量調(diào)控能力,混合式控制改變了SDN 的控制/數(shù)據(jù)平面完全分離理念,保留了每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備一定的控制邏輯,將控制分布在網(wǎng)絡(luò)每一處以提升對(duì)變化的反應(yīng)能力.

現(xiàn)在混合式控制主要有兩種方式,一種為將傳統(tǒng)MANET 路由作為SDN 路由的備用手段,當(dāng)SDN 控制器失效時(shí)數(shù)據(jù)層節(jié)點(diǎn)本地啟用分布式路由.文獻(xiàn)[45]將AODV 路由協(xié)議與OpenFlow 結(jié)合,數(shù)據(jù)層節(jié)點(diǎn)定期向控制器發(fā)送鏈路狀態(tài)信息,控制器以全局視圖計(jì)算出最佳路徑并下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則至傳輸節(jié)點(diǎn).在控制器失效時(shí),數(shù)據(jù)層節(jié)點(diǎn)自身啟動(dòng)AODV 路由機(jī)制,進(jìn)行分布式路由以維持網(wǎng)絡(luò)工作.

另一種為數(shù)據(jù)平面配合控制器的全局視圖進(jìn)行路由.文獻(xiàn)[46]指出由控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)全部控制功能并不適合頻繁變化的網(wǎng)絡(luò),并提出了一種混合式控制的結(jié)構(gòu)HSAW:控制平面收集網(wǎng)絡(luò)全局信息,通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)間發(fā)信范圍互相干擾的比例,設(shè)置權(quán)重對(duì)鏈路進(jìn)行評(píng)估,并將處理后的網(wǎng)絡(luò)抽象視圖通過(guò)控制信道下發(fā)給數(shù)據(jù)平面,數(shù)據(jù)層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備據(jù)此進(jìn)行路由決策,通過(guò)數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.仿真結(jié)果顯示,該混合控制結(jié)構(gòu)相較于完全分離的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提升了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸成功率并降低了控制開銷.

文獻(xiàn)[47]為了改善無(wú)人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)的可靠性,設(shè)計(jì)了Master、Slave 兩種基于SDN 的無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu).在整個(gè)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)簇由一個(gè)Master 節(jié)點(diǎn)和多個(gè)Slave 節(jié)點(diǎn)組成,其中Master 節(jié)點(diǎn)作為局部控制器,負(fù)責(zé)根據(jù)上層業(yè)務(wù)需求,對(duì)Slave 節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路線、資源分配等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃;簇成員根據(jù)Master 節(jié)點(diǎn)下發(fā)的各種策略規(guī)則進(jìn)行飛行軌跡的控制、傳輸路徑的計(jì)算等.每個(gè)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同,通過(guò)開啟或關(guān)閉相應(yīng)功能模塊從而在兩種角色中靈活切換,以解決Master 節(jié)點(diǎn)因電量限制、外來(lái)干擾攻擊等內(nèi)外因素導(dǎo)致的失效.網(wǎng)絡(luò)采用基于訂閱/發(fā)布通信模式的MQTT 協(xié)議[48],提高網(wǎng)絡(luò)對(duì)變化的反應(yīng)速度,靈活應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)群拓?fù)涞念l繁變化,最終提高網(wǎng)絡(luò)可靠性以及生存周期.

Poularakis 等使用混合式控制提高SD-MANET 的可靠性,其首先在文獻(xiàn)[38]討論了SDN 在戰(zhàn)術(shù)MANET中的應(yīng)用前景,提出了一種層次式SD-MANET 結(jié)構(gòu),強(qiáng)調(diào)了SDN 混合控制和協(xié)同作戰(zhàn)的重要性.而后在文獻(xiàn)[49]中,在戰(zhàn)術(shù)MANET 的背景下具體實(shí)現(xiàn)了一種利用狀態(tài)機(jī)思想改進(jìn)的OpenFlow 擴(kuò)展協(xié)議Openstate[50]的靈活混合控制,為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了本地備用路由規(guī)則以應(yīng)對(duì)鏈路失效,并對(duì)總的通信開銷進(jìn)行了數(shù)學(xué)優(yōu)化.在真實(shí)戰(zhàn)術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的仿真結(jié)果表明該方法最多可以將50%的數(shù)據(jù)包路由到其目的地,而控制開銷比集中式控制的SDN 網(wǎng)絡(luò)低一個(gè)數(shù)量級(jí).此外,文獻(xiàn)[51]通過(guò)在手機(jī)和電腦上部署SDN 網(wǎng)絡(luò),驗(yàn)證了部署多控制器并不能很好解決SD-MANET 的可靠性問(wèn)題,為此設(shè)計(jì)了一種結(jié)合分段路由的混合式控制架構(gòu):數(shù)據(jù)平面根據(jù)控制器下發(fā)的段列表確定下一跳,通過(guò)傳統(tǒng)路由協(xié)議進(jìn)行路由.文獻(xiàn)[52]面向現(xiàn)代作戰(zhàn)的聯(lián)合作戰(zhàn)需求,首先部署了多個(gè)物理上分布,邏輯上集中的控制器組成控制平面,分別放置在網(wǎng)絡(luò)的不同級(jí)別,如從指揮中心的云服務(wù)器、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)設(shè)備(車輛)等,用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活控制.而為了在戰(zhàn)術(shù)MANET 場(chǎng)景里實(shí)現(xiàn)更高效可靠路由,其增加了在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本地運(yùn)行的分布式路由機(jī)制來(lái)作為備用控制方法,通過(guò)應(yīng)用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變體圖注意力網(wǎng)絡(luò)(graph attention networks,GAT)來(lái)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)和碎片事件,從而預(yù)先運(yùn)行分布式路由協(xié)議來(lái)重新計(jì)算路由路徑從而防止網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生.其仿真基于用于模擬真實(shí)戰(zhàn)術(shù)MANET 場(chǎng)景的戰(zhàn)術(shù)MANET 數(shù)據(jù)集,結(jié)果顯示該方法能以較小的輸入特征得到較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率,并有效應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化.

混合式控制針對(duì)MANET 的特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),理論上能結(jié)合MANET 的魯棒性和SDN的高效.但這種方法設(shè)計(jì)復(fù)雜且開銷高.數(shù)據(jù)層設(shè)備需要同時(shí)支持SDN 和傳統(tǒng)MANET 兩種控制邏輯,信息收集和路徑配置會(huì)造成更多的控制開銷.除此之外,這種方式對(duì)硬件也有額外的要求,在實(shí)際中生產(chǎn)支持兩種控制邏輯的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生更多的制造成本.

5.3 分段路由:改進(jìn)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則下發(fā)方式

傳統(tǒng)MANET 路由包括表驅(qū)動(dòng)路由和源路由,其中在表驅(qū)動(dòng)路由中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)自身會(huì)維護(hù)一個(gè)路由表,并根據(jù)它進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā).對(duì)于到來(lái)的數(shù)據(jù)包,節(jié)點(diǎn)可以快速匹配路由表實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā),然而這種方式需要定期更新路由表,造成的協(xié)議控制開銷較大.源路由則通過(guò)在源節(jié)點(diǎn)就定義好整條路徑,將中間所需要經(jīng)過(guò)的設(shè)備順序加在數(shù)據(jù)包上,避免了每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要維護(hù)、查詢路由表所產(chǎn)生的開銷.而傳統(tǒng)MANET 的源路由協(xié)議如DSR 需要在收到需求后廣播請(qǐng)求包進(jìn)行路徑尋找,并等待接收方回復(fù).這一過(guò)程對(duì)于請(qǐng)求方需要一定的等待時(shí)間,當(dāng)流量對(duì)時(shí)延敏感時(shí)更是難以滿足需求.

分段路由(segment routing,SR)利用源路由的思想,在源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包上就配置完畢發(fā)送路徑,從而減少為中間節(jié)點(diǎn)配置流表項(xiàng)所帶來(lái)的開銷和時(shí)延;同時(shí)充分結(jié)合SDN 的中心化控制,避免傳統(tǒng)源路由尋路過(guò)程所造成的較長(zhǎng)時(shí)延,實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單、更靈活的路由[53].如圖5,當(dāng)發(fā)送方A 請(qǐng)求服務(wù)時(shí),控制器根據(jù)全局視圖計(jì)算合適路徑,并以段列表的方式告知A 所需經(jīng)過(guò)的鏈路.A 在數(shù)據(jù)包頭部附上標(biāo)簽,而后交付給對(duì)應(yīng)的下一跳節(jié)點(diǎn)B.B 收到該數(shù)據(jù)包后不需要查詢路由表,僅需要識(shí)別數(shù)據(jù)包標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的鏈路,交付給相應(yīng)端口,直到傳輸給接收方C.在這一過(guò)程中,控制器不需要為路徑上所有節(jié)點(diǎn)配置流表項(xiàng),有效減少了控制器配置路徑產(chǎn)生的時(shí)延;同時(shí),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí),對(duì)于正在服務(wù)的流,控制器只需要更改下發(fā)的段列表,從而避免修改所有相關(guān)設(shè)備的流表項(xiàng),減少了額外的時(shí)間開銷,實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化的快速反應(yīng)和輕便快速的路由更新[54].

圖5 分段路由

文獻(xiàn)[55] 針對(duì)機(jī)載骨干網(wǎng)(airborne backbone network,ABN),在使用層次式控制加強(qiáng)SD-ABN 可靠性的基礎(chǔ)上應(yīng)用了分段路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的下發(fā).SDABN 將控制層分為ABN 控制器和平臺(tái)控制器兩部分,分別承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)總控制器和管理各飛行器的局部控制器的角色.網(wǎng)絡(luò)整體由控制節(jié)點(diǎn)、流量轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)以及連接末端子網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成,為戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)單元如飛行網(wǎng)絡(luò)、海上網(wǎng)絡(luò)、陸地網(wǎng)絡(luò)等提供彼此通信.該文獻(xiàn)對(duì)流表下發(fā)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),當(dāng)收到節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求后,平臺(tái)控制器會(huì)生成支持SR 的路徑計(jì)算單元通信協(xié)議(path computation element communication protocol,PCEP)消息將路由策略下發(fā)至請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的SDN 節(jié)點(diǎn),由無(wú)線電模塊訪問(wèn)無(wú)線信道發(fā)送至ABN 控制器.ABN 控制器計(jì)算出所需的多條可靠路徑后,最終將路由策略反向下發(fā)給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SR 在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)能有效提升控制器更新效率并減少網(wǎng)絡(luò)收斂時(shí)間和控制開銷.

5.4 結(jié)合其他架構(gòu):提升數(shù)據(jù)層適應(yīng)能力

時(shí)延容忍網(wǎng)絡(luò)(delay tolerant network,DTN)最早是星際互聯(lián)網(wǎng)(interplanetary internet,PN)的體系結(jié)構(gòu),而后被擴(kuò)展到地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等其它類型網(wǎng)絡(luò),旨在以存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式解決鏈路中斷以及間歇性連接之類的問(wèn)題[56].取決于具體應(yīng)用類型,鏈接中斷的時(shí)間范圍從幾秒鐘到幾小時(shí)不等.在遇到這類情況時(shí),DTN 節(jié)點(diǎn)會(huì)臨時(shí)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),直到可以將其轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)具有DTN 功能的節(jié)點(diǎn)或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為止.文獻(xiàn)[57] 利用DTN 處理鏈接中斷的能力彌補(bǔ)SDN 面對(duì)鏈路狀態(tài)變化的能力,定義了一種體系結(jié)構(gòu)解決方案.在該結(jié)構(gòu)中,數(shù)據(jù)層節(jié)點(diǎn)同時(shí)支持DTN 和SDN,并通過(guò)選舉算法產(chǎn)生Master 節(jié)點(diǎn)充當(dāng)控制器角色.Master 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的SDN 模塊主要負(fù)責(zé)收集全局鏈路狀態(tài)信息,而DTN 協(xié)調(diào)器模塊則通過(guò)SDN 控制器收集的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)度DTN節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸.數(shù)據(jù)層DTN 節(jié)點(diǎn)會(huì)在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不可訪問(wèn)時(shí)臨時(shí)存儲(chǔ)延遲容忍數(shù)據(jù),并按照Master 節(jié)點(diǎn)下發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地或鄰居節(jié)點(diǎn).仿真結(jié)果顯示針對(duì)戰(zhàn)術(shù)邊緣網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸任務(wù),該結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生了少量的視頻停頓,比其他結(jié)構(gòu)具有更好的適應(yīng)性.

信息中心網(wǎng)絡(luò)(information centeric network,ICN)是一種以命名數(shù)據(jù)對(duì)象為中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).和IP 網(wǎng)絡(luò)以端口和主機(jī)名進(jìn)行尋址和路由的方式不同,ICN 通過(guò)數(shù)據(jù)復(fù)制,將有效數(shù)據(jù)緩存至節(jié)點(diǎn)內(nèi)部,以實(shí)現(xiàn)以INTEREST/DATA 消息為匹配規(guī)則的通信:消費(fèi)者通過(guò)發(fā)送INTEREST 消息(要檢索的命名數(shù)據(jù))來(lái)請(qǐng)求數(shù)據(jù),而生產(chǎn)者(或執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)緩存和存儲(chǔ)的中間節(jié)點(diǎn))返回匹配的DATA 消息.ICN 通過(guò)緩存復(fù)制增強(qiáng)信息分布,能有效應(yīng)對(duì)通信服務(wù)中的斷開連接、中斷等問(wèn)題[58].文獻(xiàn)[59]將SDN 與ICN 結(jié)合以解決戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性,其中ICN 主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)層,以提高故障發(fā)生時(shí)的傳輸可靠性并減少轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延(因?yàn)閿?shù)據(jù)被緩存在請(qǐng)求者附近);SDN 主要在控制平面中起著兩個(gè)關(guān)鍵作用:一是充當(dāng)網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)ICN 數(shù)據(jù)包和IP 包的互相轉(zhuǎn)換;二是通過(guò)在數(shù)據(jù)層交換的INTEREST/DATA 消息來(lái)建立和控制所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交互模式.通過(guò)接收具有節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的DATA 消息,SDN 控制器能夠感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并在發(fā)生擁塞/中斷之前過(guò)濾大型DATA 消息,從而實(shí)現(xiàn)路徑的優(yōu)化和開銷的降低.表3 給出了以上相關(guān)研究的總結(jié).

表3 問(wèn)題以及方法相關(guān)研究

6 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)MANET 路由協(xié)議雖然能實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)任務(wù)的通信要求,但其分布式性質(zhì)一定程度上限制了其在實(shí)際場(chǎng)景的表現(xiàn).SDN 作為集中式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),能從全局角度提升MANET 資源管理能力,為不同業(yè)務(wù)流量提供高質(zhì)量的QoS 路由服務(wù).但由于其集中式控制特點(diǎn),在改善網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)如可靠性、流表有效性等新的問(wèn)題.目前雖然已有許多研究針對(duì)不同場(chǎng)景、不同應(yīng)用做出了相應(yīng)改進(jìn),但由于SDN 發(fā)展的時(shí)間較短,特別是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究不多,實(shí)際應(yīng)用還是有許多適應(yīng)性問(wèn)題亟待解決,系統(tǒng)性的部署方案尚也欠缺.未來(lái)SDN在戰(zhàn)術(shù)MANET路由應(yīng)用中還有以下方面可以進(jìn)行研究:

(1)引入機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行故障避免.

目前結(jié)合SDN 和機(jī)器學(xué)習(xí)的路由研究大多應(yīng)用在路徑選擇上,往往通過(guò)輸入如鏈路狀態(tài)、流量矩陣等信息輸出傳輸路徑,且應(yīng)用場(chǎng)景幾乎在數(shù)據(jù)中心等較為穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)中.而在戰(zhàn)術(shù)MANET 中,受具體任務(wù)牽引,MANET 節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性具有一定的規(guī)律可循.所以除了進(jìn)行路徑選擇外,機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以被用以針對(duì)SDN 缺乏處理MANET 節(jié)點(diǎn)頻繁移動(dòng)特點(diǎn)的問(wèn)題,預(yù)測(cè)如節(jié)點(diǎn)移動(dòng)軌跡、未來(lái)鏈路狀態(tài)等信息,使得控制器能提前進(jìn)行路徑切換,避免傳輸失效從而保障路由QoS 質(zhì)量.

(2)控制器如何在MANET 里與各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)建立動(dòng)態(tài)高效連接.

SDN 轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)施依靠集中式網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)行為和操作進(jìn)行定義.這不可避免地需要在邊緣節(jié)點(diǎn)和集中式網(wǎng)絡(luò)控制器間維持高速傳輸,而這在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中通常不可用[60].目前大多研究都是假設(shè)控制器和數(shù)據(jù)平面各節(jié)點(diǎn)之間具有直接相連的鏈路,而在戰(zhàn)術(shù)MANET中控制器也會(huì)被部署在一些特定節(jié)點(diǎn)上,其余不相鄰末端轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與控制器節(jié)點(diǎn)間需要建立多跳連接.如何在高度變化的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境里動(dòng)態(tài)維持各控制器和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的高效連接需要被考慮.

(3)減少控制開銷.

SDN 控制器需要與數(shù)據(jù)層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互以更新網(wǎng)絡(luò)視圖.目前大多路由技術(shù)通過(guò)分層以減小控制信息的數(shù)量,但在資源缺乏的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下,控制開銷會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)變化速度加快而增多.路由協(xié)議仍然需要進(jìn)一步輕量化,減小控制開銷帶來(lái)的負(fù)擔(dān).此外,在應(yīng)用混合式控制時(shí),數(shù)據(jù)層節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)運(yùn)行MANET 和SDN兩種控制邏輯,易造成更大的控制開銷.未來(lái)需要合理設(shè)計(jì)交互機(jī)制,在確保增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化的適應(yīng)能力的同時(shí),減少控制開銷對(duì)帶寬資源的消耗.