CN106413020A - 一种基于OpenFlow的无线传感器网络的实现及数据流处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于OpenFlow的无线传感器网络实现及数据流处理方法，在传感器节点协议栈中建立数据流规则表，该规则表包含多组数据流匹配表项，每一表项进一步包含若干匹配规则与表项动作；通过无线传感器网络用户配置或本地节点自身修改数据流规则表，实现对网络数据流转发策略的控制。本发明实现了硬件无关及协议无关的无线传感器网络控制策略，灵活支持已有协议，支持网络策略动态更新。

Description

一种基于OpenFlow的无线传感器网络的实现及数据流处理 方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络的领域，尤其涉及一种无线传感器网络实现及数据流处理方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的自适应和多跳性使网络节点能够进行快速通信，其在结构功能上都与传统网络节具有较大差异，节点通常需要同时进行信息采集、信号处理及无线通信等活动。其结构的不同也导致网络抽象性与可维护性较差，网络策略重构及网络管理困难。
软件定义网络(Software Defined Network，SDN)最初用于增强有线网络的可编程性与灵活性。作为SDN的热门实现技术之一，OpenFlow提供针对不同网络应用、协议与管理需求的简单实现。OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离，实现了对网络流量的灵活控制，为网络及应用的创新提供了良好的平台。此外，OpenFlow允许用户使用标准化的接口性网络管理与策略配置。
针对无线传感器网络路由协议的设计已存在较多成熟解决方案，如洪泛协议Flooding，低功耗自适应集簇分层型协议(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)，定向扩散协议(Directed Diffusion，DD)等。Flooding协议中网络节点产生或收到数据后向所有邻居节点广播，数据包直到过期或到达目的地才停止传播；LEACH协议是一种低功耗的自适应路由算法,其基本思想是网络周期性的随机选择簇头节点，其它非簇头节点以就近原则加入相应簇头，形成虚拟簇，簇内节点将感知数据直接发送到簇头，由簇头转发至上层用户；DD协议是一种基于查询的路由协议，它与数据相关，节点周期性广播请求应答数据包并在网络中建立消息梯度，通过其余节点对请求应答数据包的反馈建立加强的通信路径。
为满足不同应用的网络需求(如硬件、网络协议、能量限制，网络带宽限制等)，传感器网络必须有符合自身特点的协议栈，并不能直接采用传统无线网络协议栈。协议栈是无线传感器网络的核心，然而其研究尚不成熟，许多技术也没有形成统一标准，多家研究机构基于自身需要推出了各种不同的无线传感器网络协议栈，但结构都比较单一，只能针对特定协议，这就限制了更加灵活的无线传感器网络的开发，降低了网络的整体兼容性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明一种基于OpenFlow的无线传感器网络实现及数据流处理方法，有效解决了无线传感器网络中多协议网络动态实现及管理的问题。
本发明公开了一种基于OpenFlow的无线传感器网络的实现方法，其网络协议栈包含一张以数据流为核心的数据流规则表及基本网络动作库。所述数据流规则表由匹配规则域及处理动作域组成，匹配规则域包含一组针对特定数据流的匹配策略，处理动作域包含对该数据流的处理策略；每条数据流规则表项中匹配规则域和处理动作域中均包含若干匹配规则与处理动作序列。
所述数据流规则表包含一般表项及漏表项两种类别表项，一般表项针对可预知的有效网络数据流设计，完成对不同网络数据流的处理；漏表项可处理如新协议格式或其他未知网络数据流，其匹配规则域内容为空，代表匹配任意数据流。
所述无线传感器网络采用OpenFlow协议框架，增加无线传感器网络支持规则。所述无线传感器网络支持规则包括无线传感器网络匹配规则及无线传感器网络数据流处理策略；所述无线传感器网络匹配规则包括源节点地址、目的节点地址、数据包序号、数据流类别号、数据包TTL匹配规则及传感器数据匹配规则；所述传感器数据匹配规则包括温度、湿度、信号强度等；所述无线传感器网络数据流处理策略包括数据转发、接收、丢弃及匹配规则更新。
所述数据流规则表中匹配规则，包含上限阈值与下限阈值，进行数据流匹配时，数据流对应字段将与规则中给定字段的上限阈值与下限阈值进行比较，符合阈值区间则表示匹配成功(如规则1内容为“数据包序号大于0”，规则2内容为“节点温度大于0度小于70度”等)。
所述数据流规则表匹配规则更新时接收来自用户的更新指令或根据本地定义的处理动作进行操作(如更新匹配规则阈值为用户指定的数值，或根据本地处理动作对阈值进行提高、降低或重置等操作)；数据流规则表处理动作由若干处理动作序列组成，具体动作通过序号标识，更新时接收用户指定的一组序号作为新动作序列。
所述基本网络动作库，包括若干与网络数据流处理无关的本地或网络操作，其内容由上层用户进行配置，可包括网络时钟同步、网络节点感知及链路信号质量采集等；基本网络动作可在网络运行前或网络运行过程中执行，完成对无线传感器网络基本结构的管理和信息采集。
所述无线传感器网络采用无线接入控制器(Access Controller，AC)方式组网，各节点协议栈均采用数据流规则表配置网络策略，以代替一般OpenFlow专用控制器，除接收用户配置命令外，各节点均支持数据流规则表自配置功能，实现网络扁平化配置。
一种基于OpenFlow的无线传感器网络的数据流处理方法，其具体实现方法包括：
步骤1，上层用户配置整个网络或单个节点的协议栈数据流规则表，动态下发至待机状态或正在运行的无线传感器网络；
步骤2，网络节点接收用户配置指令，修改数据流规则表中匹配规则域和处理动作域内容，根据用户配置执行网络基本动作序列；
步骤3，网络节点以更新后的数据流规则表运行，对匹配到表项的数据流执行动作域中的动作序列，对未匹配到表项的数据流执行漏表项动作序列；
步骤4，上层用户进行新的配置时，网络节点重复步骤2及3，完成网络策略更新以及数据流处理。
所述步骤3，可进一步推广至全网对数据的处理过程，描述节点对数据包的处理过程时，可用下式表示：
ActX(Pktm,FEn)→NodeY
其中Pktm，FEn及ActX表示节点当前处理的数据包、当前匹配的流表项与处理动作函数。NodeY表示处理动作函数生成结果的下一跳，可以为其他网络节点或本地节点。数据包在网络各流表内的处理过程可表示为如下递归公式：
本发明的有益效果在于，对多种传感器网络协议进行硬件无关化支持，协议栈可动态配置，兼容不同格式网络数据流，实现上层软件对网络的动态配置及重构。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于OpenFlow的无线传感器网络的实现及数据流处理方法不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明一种基于OpenFlow的无线传感器网络实现方法的网络节点结构图；
图2是本发明一种基于OpenFlow的无线传感器网络的数据流处理方法流程图；
图3是本发明以实施例中多协议实现效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方法作进一步说明。
本发明一种基于OpenFlow的无线传感器网络实现方法的网络节点结构如图1所示。
所述无线传感器网络节点包括节点硬件层、硬件抽象层、嵌入式操作***及节点应用程序；所述节点硬件层进一步包括支持无线传感器网络数据采集与射频通信的硬件设备；所述硬件抽象层进一步包括网络节点基本输入输出接口、通信接口、传感器驱动等；所述嵌入式操作***进一步包括配置管理模块、基本网络动作模块及数据流处理规则表；所述节点应用程序包括网络部署时已下载至节点的应用程序，可由用户自由定制。
本发明一种基于OpenFlow的无线传感器网络的数据流处理方法流程如图2所示。
网络实现包括初始化过程、用户配置过程、网络运行过程及用户配置更新过程，其具体实现方法包括如下步骤：
步骤S100，网络节点协议栈初始化，设定网络处于空闲状态；
步骤S200，用户根据应用需求配置全网或单个节点数据流规则表内容及网络基本动作序列，通过无线方式发送至目标网络；
步骤S300，网络节点接收用户配置指令，修改数据流规则表中匹配规则域和处理动作域内容，根据用户配置执行网络基本动作序列；
步骤S400，网络节点以更新后的数据流规则表运行，对匹配到表项的数据流执行动作域中的动作序列，对未匹配到表项的数据流执行漏表项动作序列；
步骤S500，用户更新网络配置，网络节点进行规则表更新操作，并返回步骤S300以新配置运行网络。
在具体实施过程中，用户对数据流规则表以及网络基本动作序列的配置可以分开进行；每个网络节点数据流规则表一般表项数可为0，但必须有漏表项，以对无法识别的格式进行统一处理。
其中所述步骤400进一步包括：
步骤410，尝试匹配数据流到已有一般表项，并执行对应表项中动作序列；
步骤420，当无法匹配一般表项时，自动执行漏表项所包含动作，通常包括丢弃数据包、上传数据包至用户等。
在一具体实施例中，本发明对多协议实现效果可如图3所示。分别采用Flooding协议，LEACH协议，DD协议及DD*协议对网络传输数据流进行测试，其中DD*协议为DD协议的一个改进情况。
在图3所示测试中，通过网络传输效率(Network Transmission Efficiency，NTE)及平均流表匹配长度(Average Matching Number，AMN)评价网络的有效性及灵活性。协议在运行过程中，网络将产生除实际传输数据外的附加流量(包括控制信息，冗余数据包等)，NTE可表示真实有效数据在总网络流量中的比例：NTE值越大，表示当前协议传输效率越高。AMN表示数据包在处理过程中所需的流表项平均匹配个数，NTE值越小则处理速度越快。同时数据流规则表长度也会影响AMN，规则表长度越长，数据流可能的匹配次数就越多。测试结果表明，所述一种基于OpenFlow的无线传感器网络的实现及数据流处理方法对网络协议具有灵活支持能力，对数据流控制效果符合预期。
用户对网络数据流策略的更新操作可以在网络运行时完成，对于网络数据包，表项处理一般包括接收、转发及丢弃等操作，当数据流匹配表项成功时，节点将对该数据流执行至少一项操作，由于网络采用无线接入控制器AC(Access Controller)方式，故操作可包含对数据流规则表本身修改，如：修改数据包ID匹配范围，从而防止重复数据包。
在一具体实施例中，无线传感器网络数据流规则表可如表1所示(表1仅为示意，实际的功能可能并非两个表项即可实现)。
表1
表项ID 规则表匹配域 规则表动作域
1 目的节点ID不为本地节点，且节点温度小70度 转发数据包
2 目的节点为本地ID 接收数据包
漏表项 匹配任意数据流 丢弃数据包
在数据流规则表中，数据流依表项ID顺序进行匹配，当匹配到对应表项时，即停止匹配平执行对应动作序列，表项顺序可由用户配置过网络自行调整；漏表项处于规则表末尾，为数据流提供统一处理。
本发明以提高无线传感器网络灵活性及协议栈通用性为出发点，通过对传统单协议网络架构改进，提出了一种基于OpenFlow的无线传感器网络的实现及数据流处理方法。通过实验验证，该网络实现方法有效提高网络的灵活性及通用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于OpenFlow的无线传感器网络的实现方法，其特征在于：在传感器节点协议栈中建立数据流规则表；所述数据流规则表包括用于处理可预知的有效网络数据流的一般表项和用于处理其他未知网络数据流的漏表项；所述一般表项和漏表项均包括匹配规则域和处理动作域，所述匹配规则域包含一组针对特定数据流的匹配策略，所述处理动作域包含对该数据流的处理策略；所述传感器节点协议栈匹配网络数据流到规则表项，并采取对应的预设数据流处理策略。
2.根据权利要求1所述的基于OpenFlow的无线传感器网络的实现方法，其特征在于：所述数据流规则表的内容由用户点或根据自身策略进行更新。
3.根据权利要求2所述的基于OpenFlow的无线传感器网络的实现方法，其特征在于：所述数据流规则表中的匹配规则包含上限阈值与下限阈值，更新时针对不同规则接收不同更新命令；所述数据流规则表处理动作更新时由动作序号表示。
4.根据权利要求1所述的基于OpenFlow的无线传感器网络的实现方法，其特征在于：
在传感器节点协议栈中还建立有基本网络动作库，所述基本网络动作库包括若干与网络数据流处理无关的节点操作，由上层用户进行配置，包括网络时钟同步、网络节点感知和链路信号质量采集。
5.根据权利要求1所述的基于OpenFlow的无线传感器网络的实现方法，其特征在于：
所述无线传感器网络采用OpenFlow协议框架，增加无线传感器网络支持规则。
6.根据权利要求5所述的基于OpenFlow的无线传感器网络的实现方法，其特征在于：
所述无线传感器网络支持规则包括无线传感器网络匹配规则和无线传感器网络数据流处理策略；所述无线传感器网络匹配规则包括源节点地址、目的节点地址、数据包序号、数据流类别号、数据包TTL匹配规则和传感器数据匹配规则；所述传感器数据匹配规则包括温度、湿度和信号强度；所述无线传感器网络数据流处理策略包括数据转发、接收、丢弃及匹配规则更新。
7.根据权利要求1所述的基于OpenFlow的无线传感器网络的实现方法，其特征在于：
所述无线传感器网络采用无线接入控制器方式组网，各节点协议栈均采用数据流规则表配置网络策略。
8.一种基于OpenFlow的无线传感器网络的数据流处理方法，基于权利要求1至7中任一项所述的基于OpenFlow的无线传感器网络的实现方法，其特征在于，包括：
步骤1，上层用户配置整个网络或单个节点的协议栈数据流规则表，动态下发至待机状态或正在运行的无线传感器网络；
步骤2，网络节点接收用户配置指令，修改数据流规则表中匹配规则域和处理动作域内容，根据用户配置执行网络基本动作序列；
步骤3，网络节点以更新后的数据流规则表运行，对匹配到表项的数据流执行一般表项动作域中的动作序列，对未匹配到一般表项的数据流执行漏表项动作域中的动作序列；
步骤4，上层用户进行新的配置时，网络节点执行步骤2和3，完成网络策略更新以及数据流处理。
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