[发明专利]一种低控制负载的软件定义无线传感网络架构

说明书

技术领域

本发明涉及一种低控制负载的软件定义无线传感网络架构，属于无线传感网络架构技术领域。

背景技术

传统的 WSN 由三种节点构成:普通节点、汇聚节点、管理节点。WSN 中每一个节点的电能均来源于容量较小的电池,单个节点的能量、存储及信息处理能力都比较弱,这就需要节点之间通过相互协作来完成数据存储及信息处理工作;与普通传感器节点不同的是,WSN 中有另一种增强型的传感器节点--汇聚节点,它拥有较强的存储及处理能力。汇聚节点在 WSN 中负责连接其他网关,实现不同协议之间的交互,它能存储更多的数据并将这些数据转换为汇编格式的文档,然后将修改后的文档传入普通节点;管理节点顾名思义在 WSN 中发挥管理作用,我们可以通过管理节点来获取传感器网络信息,此外管理节点还会通过汇聚节点分派任务给普通节点,普通节点完成任务后再将信息反馈给汇聚节点。WSN 借鉴了传统的互联网体系架构,形式单一,结构简单,同时只能运行一种路由算法。

WSN 最早的应用是在军事领域如战场态势的侦测、情报获取,但是随着技术的不断成熟,其在民用领域的应用也越来越广泛,如近些年来非常热门的智能家居、生物医疗、工厂监测、气象探测、列车烟雾探测、火情预警及小区、厂区安全监控等。但是随着 WSN的广泛应用,传统 WSN 也暴露出了一些问题,譬如由于节点能量有限,在同一个场景下只能运行单一的路由协议,不能根据应用需求的变化自适应改变路由机制,网络拓扑随着节点能量耗尽发生变化导致整个网络变得不稳定甚至失效。

在无线传感网络中引入软件定义网络（SDN）模型，主要的动机表现在以下几个方面：1）尽管SDN已经在有线网络中成功实现，但是在无线传感网络中去实现SDN模型需要掌控无线传感网络环境中动态的自然环境（节点链接失效和节点失效，能效路由和数据转发问题）。2）众所周知的OpenFlow倾向于解决控制器和OpenFlow交换机之间通信的控制层面的问题，尽管如此，基于SDN的无线传感网络需要支持控制层面和数据层面的带内控制通讯。3）在绝大多数情况下，在流表中的数据流表条目只用数据包的header来进行规则匹配。4）在软件定义无线传感网（SDWSN）的能量消耗平衡中使用了K邻接邻居节点（EC-CKN）算法，EC-CKN是一种著名的基于能量消耗睡眠调度算法，而且提出了一种叫做SD EC-CKN的新策略。尽管如此，在SD EC-CKN中，每个节点需要每次循环的时候传递标志信息给控制器，这样导致了高控制开销。

近些年来，Over-The-Air 软件升级和Re-Tasking 策略被提出来用于增强国际供应商设备兼容的灵活性和传统的无线传感器网络中传感器硬件的再循环。在无线传感网络中利用软件定义网络，动态的重配置传感器，让传感器按照路线发送数据，这成为了一种新兴的解决方案，如Hata等人在文献[19-25]中讨论的方案。而软件定义网络的主要理念是在物理层面上隔离控制层和数据层，传感器节点没有决定任务的能力，而是由接收到的一个集中式的控制器所发出的指令来进行任务决策。因此，已经部署的传感器节点在硬件上不需要经过很大的变化就能够非常容易的进行控制，而且Re-Tasking和重新进行程序设计也会非常简单。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，依照基于OpenFlow技术的SDN架构在网络虚拟化及网络实验平台等领域的应用,提出了一种新型的无线传感网架构,并且以这种新型网络架构为基础,改进传统的EC-CKN睡眠调度算法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种低控制负载的软件定义无线传感网络架构，包括控制层和数据层，其特征是，所述控制层包括决定整个网络的路由和数据转发策略的控制器，所述数据层包括交换机和许多传感器节点，交换机转发控制器的指令到达整个网络，每个节点主要由通信模块，感知模块和流表组成；所述通信模块用于广播和接收数据包，所述感知模块用于感知外部数据，所有节点通过各自的流表条目来判断是否改变状态（唤醒或睡眠），转发还是丢弃数据包；流表分为三部分，第一部分的匹配规则会将接收到的数据包进行规则匹配，如果满足匹配条件，则执行第二部分的相关动作，同时第三部分定义了该流表的存活时间和执行次数。

所述无线传感网络架构中，将控制消息定义为0，更新消息定义为1，数据消息定义为2。

进一步地，所述流表的控制流表头包括发送给控制器来获取的控制请求包、从控制器发送过来的控制响应包和根据网络中的拓扑信息来更新这些信息的邻居节点表。

进一步地，所述流表条目和流表描述如下：