基于SMIoT的軟件定義移動(dòng)自組織物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)機(jī)制研究

韓瑜娟

摘 ? 要：文章充分結(jié)合SDN集中管控、MANET分布靈活和IoT智能感知的優(yōu)勢，采用SDN+MANET+IoT的思路實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)，滿足智能巡檢的需求。利用可編程性高的樹莓派智能小車作為IoT硬件平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上搭建分布式MANET網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能小車集群的自組織組網(wǎng)。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)智能巡檢和相互協(xié)作，將OVS交換機(jī)移植到樹莓派平臺(tái)，利用擴(kuò)展的OpenFlow協(xié)議，對(duì)分布式智能小車集群實(shí)施基于SDN技術(shù)的集中管控，統(tǒng)一管理集群的物理感知能力、移動(dòng)監(jiān)控能力和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，進(jìn)而搭建SMIoT。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò);移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò);物聯(lián)網(wǎng)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）的應(yīng)用與日俱增，但是其龐大的數(shù)據(jù)規(guī)模在性能受限的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中很難進(jìn)行高速轉(zhuǎn)發(fā)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，都要通過3層核心進(jìn)行多層轉(zhuǎn)發(fā)，增大了網(wǎng)絡(luò)的延遲，還浪費(fèi)了核心寶貴的資源。本文采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）為其提供集中管控和應(yīng)用開發(fā)，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoe Network，MANET）的提出增強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)性和靈活性，若MANET受控于SDN，將加快物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新，在大范圍自組織組網(wǎng)的同時(shí)還滿足全局管控，在一些要求實(shí)時(shí)反應(yīng)和移動(dòng)性的應(yīng)用場景（如水電站智能監(jiān)控、災(zāi)害預(yù)警、環(huán)境感知等）中，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備難以承擔(dān)移動(dòng)性無線組網(wǎng)及實(shí)現(xiàn)集中的資源調(diào)度任務(wù)，因此，SDN集中管控MANET網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是非常有必要的。

1 ? ?平臺(tái)設(shè)計(jì)

將軟件定義的移動(dòng)自組織物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)體系（Software-Defined Mobile Ad Hoc IoT，SMIoT）應(yīng)用到“水電站智能巡檢系統(tǒng)”實(shí)施方案中，水電是我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵，水電站的建設(shè)和運(yùn)行不僅涉及復(fù)雜的水力發(fā)電本身，還要考慮所處的環(huán)境和水文條件。由于環(huán)境的復(fù)雜化與動(dòng)態(tài)化，監(jiān)測目標(biāo)的多樣化，僅引入固定傳感器和攝像機(jī)可能無法完全滿足巡檢要求。主要目標(biāo)是利用SDN的集中管控能力，配合IoT的分布式計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)集中受控于SDN控制器的移動(dòng)IoT集群，為水電站智能巡檢的應(yīng)用場景帶來價(jià)值。

例如，在水電站中，首先，固定攝像機(jī)被河岸上不斷生長的樹枝等障礙物遮擋（Q1即一個(gè)被遮擋的變壓器），可能無法對(duì)發(fā)電以及其他設(shè)施進(jìn)行有效的監(jiān)測;其次，設(shè)施也可能受到例如鳥類等野生動(dòng)物的破壞（Q2），需要近距離觀測損壞程度;再次，固定傳感器和攝像機(jī)本身也可能需要定期檢查，需要有臨時(shí)備用設(shè)施，以確保正常工作（Q3）;最后，水力發(fā)電廠的建設(shè)和運(yùn)行可能會(huì)對(duì)生態(tài)造成影響，需對(duì)水電站附近水溫、水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)稀有物種的生活環(huán)境進(jìn)行評(píng)估（Q4），具體如圖1所示。

MANET節(jié)點(diǎn)（例如無人駕駛飛行器N1，N2和N3）可以用于巡邏目標(biāo)點(diǎn)，并適應(yīng)現(xiàn)場進(jìn)行智能編隊(duì)以獲得更好的監(jiān)視角度（例如圖1中的三角形），以避免障礙物、追蹤有害生物等，并通過遠(yuǎn)程低功率通信向管理員傳遞監(jiān)視或損壞報(bào)告，以便在早期能夠控制甚至避免設(shè)施損失。

2 ? ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 ?組網(wǎng)

MANET節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)基于Internet控制報(bào)文協(xié)議（Internet Control Message Protocol，ICMP）算法并充分利用ICMP消除了為集群建立專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必要的有效載荷。每一個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求以避免請(qǐng)求沖突之前設(shè)置一個(gè)t秒的計(jì)時(shí)器。在t秒的計(jì)時(shí)器期間，節(jié)點(diǎn)等待任何可能的傳入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。接收網(wǎng)絡(luò)初始化的任何節(jié)點(diǎn)指標(biāo)在無線環(huán)境中發(fā)回關(guān)鍵指標(biāo)—電池信息，也可以采用其他度量標(biāo)準(zhǔn)選擇簇頭。啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)中在所有回復(fù)節(jié)點(diǎn)和通知中電池電量最高的節(jié)點(diǎn)，將被選作簇頭，此時(shí)簇頭指示燈亮起。一旦通知，節(jié)點(diǎn)將自己設(shè)置為簇頭，然后通知所有其他參與的節(jié)點(diǎn)自己的角色為簇頭，而被告知的節(jié)點(diǎn)扮演受控節(jié)點(diǎn)的角色。其他節(jié)點(diǎn)用網(wǎng)絡(luò)回復(fù)指示器，確認(rèn)它們是否愿意參與群，以及確認(rèn)它們作為節(jié)點(diǎn)的角色。如果網(wǎng)絡(luò)沒有在計(jì)時(shí)器t內(nèi)接收到請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)可以選擇自行啟動(dòng)聯(lián)網(wǎng)過程。

MANET組網(wǎng)步驟如下：首先，N1發(fā)起組網(wǎng)請(qǐng)求net_init;其次，N2，N3，N4回復(fù)自身電池信息，以電量信息作為選取標(biāo)準(zhǔn);再次，N1通過比較電池信息選擇N3作為簇頭（控制端），并通知N3結(jié)果;從次，N3將自身設(shè)置為簇頭模式，并通知所有其他節(jié)點(diǎn)簇頭選擇結(jié)果及其作為受控群節(jié)點(diǎn)的作用;最后，所有其他節(jié)點(diǎn)確認(rèn)加入群。如圖2所示。

在項(xiàng)目目前的設(shè)計(jì)中，采用了IEEE 802.11（又稱WiFi）網(wǎng)絡(luò)接口卡（Network Interface Card，NIC）。MANET底層選用WiFi的好處是它提供了與基于IP的網(wǎng)絡(luò)（如網(wǎng)間網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)、SDN等）的良好互操作性，從而使得通過TCP/IP協(xié)議棧的應(yīng)用可以很容易地移植到MANET節(jié)點(diǎn)上。在基于IP的攝像機(jī)應(yīng)用場景中，這是非常有用的。同時(shí)，每個(gè)MANET節(jié)點(diǎn)都需要有兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即MANET底層網(wǎng)絡(luò)和SDN覆蓋網(wǎng)絡(luò)，可是，MANET底層沒有用來連接的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，因此，MANET節(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)卡NIC wlan 0應(yīng)該是在Ad Hoc模式下工作。由于多個(gè)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如AODV，DSDV，DSR等）引入了CSMA/CA類或RTS/CTS類機(jī)制，使得MAC層具有類似于WiFi的機(jī)制，因此，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種適用于分布式MANET底層網(wǎng)絡(luò)的WiFi—IP—Ad Hoc體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

2.2 ?MANET工作流程

為搭建一個(gè)軟件定義的移動(dòng)自組織物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，本設(shè)計(jì)目前由3個(gè)樹莓派搭建一個(gè)小型的SDN + MANET的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在此基礎(chǔ)上可以輕松拓展更多的MANET節(jié)點(diǎn)。圖4給出了MANET節(jié)點(diǎn)的工作流程。

Research on networking mechanism of mobile self-organizing

Internet of Things based on SMIoT

Han Yujuan

（School of Computer Science and Technology， Southwest Minzu University， Chengdu 610225， China）

Abstract：The article fully combines the advantages of SDN centralized control， flexible MANET distribution， IoT intelligent perception， and adopts the idea of SDN MANET IoT to realize heterogeneous network fusion networking to meet the needs of smart inspection. Using the high programmable raspberry pie smart car as the IoT hardware platform， the distributed MANET network is built to realize the self-organizing network of the smart car cluster. At the same time， in order to realize the smart inspection and mutual cooperation， the OVS switch is transplanted to the raspberry pie platform， and the distributed intelligent car cluster is based on SDN by using the extended OpenFlow protocol. Unified management of the physical perception of the cluster， mobile monitoring ability and data forwarding ability， and then build a SMIoT.

Key words：software defined network; mobile Ad Hoe network; Internet of Things