软件定义的无线传感器网络探讨

何勇男

摘要：无线传感器网络（WSNs）是现代网络和计算平台中常用的信息技术。当今的网络计算应用对强大的网络功能提出了更高的要求。如何有效管理无线传感器网络仍然是一个挑战，因而提出了软件定义网络（SDN）和软件定义无线传感器网络（SDWSN）来改进网络，以提高软件定义无线传感器网络在监测中的应用。

关键词：无线传感器网络;软件定义网络;软件定义无线传感器网络

中图分类号：TP212.9        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）21-0042-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

WSNs是广泛应用于环境监测、大气监测、过程监测、材料传感、安全应用等领域的传感器网络技术。在无线传感器网络中，传感器节点可以随机部署，这在本质上为应用程序提供了机会，即使是在不可访问的地区。传感器网络的这一特性允许在直觉区域部署大量传感器，只要能够在这些传感器节点之间建立和维持通信就可以。WSN包括但不限于：一个WSN服务器、路由器、交换机、传感器节点等。

1 无线传感器网络

1.1 路由协议

为了改善WSN系统的操作和应用，已经开发和应用了几种访问和路由协议，包括但不限于：媒体访问控制协议，其主要策略是降低能耗，因为WSN系统中的传感器节点是由电池供电的，因此网络寿命有限;低能量自适应聚类层次结构协议是提出一定层次数据融合的基础协议，也是实现分层WSNs低功耗策略的重点;自组织按需向量路由协议的主要目标是减少引起网络开销的数据包泛滥。

该协议的关键功能有利用路由表存储路由信息;信息协商传感器协议基于传感器节点的协商，允许数据传输和资源适应机制的节能;地理和能量感知路由协议基于传感器节点的能量和位置，位于它们向目标区域的传输路径上，促进了能量和距离之间的平衡。

1.2 网络拓扑

I星型拓扑：在这种网络结构中，传感器节点只通过中心设备传输数据。除中心设备外，任何传感器节点的故障都不会影响网络或其他传感器节点。

II树状拓扑：高效地优化功耗或扩展网络通信范围。在由于网络被划分为分支或段，所以这种体系结构可以很容易地管理或维护。如果根节点失败，下面的结构也会失败。

III网格拓扑：连接同一无线电或通信范围内的所有传感器节点。为了到达远的目标设备，数据通过邻近的节点传输，但如果一个节点失败，其他传感器节点有很多路径选项来成功传输数据。

IV异构拓扑：这是上述两种或两种以上拓扑的组合形式。这种网络实现在某种程度上是可靠的、可伸缩的、灵活的和有效的，实现成本高。

1.3 WSN的挑战

尽管无线传感器网络由于其简单的部署和成本效益而廣受欢迎，但鉴于其资源受限的性质，管理它们是一项困难的任务。从根本上说，无线传感器网络被大规模部署，数以百万计的无线传感很器节点将协同工作，传输关键数据，并连接到互联网。无线传感器网络技术的广泛应用是由于这些系统价格低廉且易于实现。然而，实施这些技术的成本取决于它们的范围（就规模和目的而言）。由于WSN技术的可购性、易于扩展、不符合特定的网络拓扑结构等因素，可以将WSN技术作为物联网网络范式的基本结构进行优化。

2 软件定义网络

2.1 SDN框架

SDN是一个框架，将控制平面和数据平面自动允许网络管理员和动态管理和控制大量的网络设备、服务、拓扑结构、交通道路、服务质量（QoS）和包处理政策使用高级编程语言和应用程序编程接口（api）的选择。

网络中SDN的核心策略就是尽可能地将网络架构可视化得更加清晰和全面：让网络运营商更容易地学习和理解网络，让运营商能够快速针对特定的网络问题提出最相关的措施，鼓励计算网络的创新，为未来的需求做准备或满足未来的需求，允许方便地访问网络资源，以便在必要时操纵它们，改进对计算网络的观察或可视化方式，从而使网络运营商能够方便地管理和维护邻近的网络资源。

一个良好的兼容和结构化的面向SDN的网络旨在实现上述战略目标，以提高整体网络计算能力。在这个概念中，一个基于SDN的WSN主要是为了提高其计算能力，SDN方法的要求得到了观察和满足。因此，基于SDN提出的设置，可以从根本上降低WSNs的资源限制性质。

2.2 SDN与传统网络（非SDN网络）的比较

多年来，传统的联网战略已证明是可靠的，成功实现了大型、中型和小型网络体系结构。在当今对强大系统的技术需求中，传统的网络计算方法在效率和管理方面面临着困难。因此，网络创新在传统网络中难以实现。这主要因为除了网络设备是专有的，网络控制还在每个转发设备上实现，因此很难访问和操作这些硬件的功能。

在工业网络中采用SDN仍然是一个艰难的决定，甚至是一个艰难的步骤，因为SDN在计算网络中仍然是一个新的知识，在这种网络中采用SDN还处于试验阶段。围绕SDN还有很多工作需要做，比如关于来自不同供应商的网络设备互操作性的问题，SDN基础设施的全面战略，以及至少对安全SDN网络的倡导。因此，在实现上述SDN技术的各个方面后，采用SDN作为网络计算改进和创新的努力将会得到显著的推进。

3 软件定义的无线传感器网络（SDWSN）

3.1 SDWSN概述

作为实施可以解决WSN应用系统挑战的SDWSN系统的方向，已经确定了几个关键要素，作为拒绝这些基本限制的可能解决方案，例如：需要为WSN系统开发面向软件的协议;开发软件注入技术以支持传感器网络编程抽象的过程，这将影响开放式可编程传感器的制造平台;开发高度加密软件的过程用于保护控制和数据平面的定向算法;开发负责数据处理和表示的软件策略;开发用于访问和更新传感器属性的控制器应用策略，以最好地适应不同的应用需求和操作参数。

SDWSN还旨在通过调节传感器和其他网络资源工作负载，针对数据流量和计算，为广泛的WSN计算系统引入面向软件的策略的简化实现。一个改进的位置是，由于传感器属性和结构复杂性，WSN中的资源管理和过程控制非常困难，因此SDN旨在通过简化整个网络基础设施为WSN带来便捷的控制机制。如图2所示的SDWSN策略包括：场传感器簇，其部署在远程环境上以进行现象感测，使得群集直接连接到无线宿传感器节点。该架构由以下部分组成;集中式SDN控制器，OpenFlow Switch，汇聚节点，传感器节点形成传感器集群。 SDN控制器通过OpenFlow交换机和其他网络设备维护整个网络的全局视图以及汇聚节点和所有相邻的传感器节点。

3.2 SDWSN优势

由于最近无线通信和计算技术中的传感器网络应用的增长，许多这样的用于WSN的应用系统已经被原型化并且一些部分开发并且继续被测试以获得有效的性能。但是，功能虚拟化和应用程序自动化等挑战仍然是实现动态和高效WSN应用程序的严重问题。SDWSN是这些问题的潜在解决方案，因为它提出了一种独立于底层网络设备的可编程控制。

SDWSN指的是需要将操作无线传感器网络的控制机制与底层垂直集成网络系统的数据转发平面分离的网络范例。通过将SDN技术引入WSN，传感器节点将仅执行转发任务，而计算密集型任务将由控制器执行而不影响整个网络的总体能量消耗。好处是控制器不会受资源限制，因为它在与传感器节点相比具有更多资源的机器上运行。此外，控制器将具有网络的全局视图，能够基于网络的状态信息做出最佳路由决策。

4 未来发展与结论

无线传感器网络中的SDN方法是一个很有前景的方向，因为这种方法将极大地改进这些应用系统。就未来而言，提出以下研究方向：用于多控制器传感器集群的SDN控制器虚拟化;增强的全球网络体验：北向接口通信的改进;用于高效设备访问和控制器通信的南向接口优化;用于传感器集群中的运行时和计算开销的SDN策略。

参考文献：

[1] 张朝昆，崔勇，唐翯翯，等.软件定义网络（SDN）研究进展[J].软件学报，2015，26（01）：62-81.

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