| 标题 | 基于SDN的工业无线网络低时延高可靠路由机制 |
| 范文 | 曹健 王艺潼 张泽梁 高静 摘 要：为了满足工业无线网络中数据传输的实时性和可靠性需求，提出基于SDN的工业无线网络低时延高可靠路由机制。控制器根据数据包的实时需求计算转发路径，当网络中节点故障或链路质量变化较大时，控制器重新进行路由决策。仿真实验表明，该路由机制有效地保证了数据的实时传输，提高了网络的灵活性。 关键词：工业无线网络；工业4.0；路由机制；SDN 1 绪论 先进的信息和通信技术（ICT，Information and Communication Technology）推动了第四次工业革命的发展。工业无线网络能够在复杂的工业环境中为现场设备提供宽带的无线数据链路，提高了网络的管理和维护效率，它是新一轮工业革命的重要基础。[1] 路由协议是工业无线网络研究的关键技术之一。在工业无线网络中包含大量资源受限的无线节点，它们往往处在高温、高危和高腐蚀等非常复杂的通信环境中，对数据传输的实时性和可靠性要求比较高，因此研究工业无线网络的低延时高可靠路由机制具有迫切性和重要性。 软件定义网络（SDN，Software Defined Network）是一种新型的网络体系结构，它分离了控制平面和数据平面，由控制平面基于全网视图集中管理网络，可以优化网络的路由决策，因此本文基于SDN思想，提出工业无线网络低延时高可靠路由机制。 2 相关工作 关于工业无线网络，学术界开展了大量研究。文献[2]提出基于ISA100.11a标准的工业认知无线传感器网络路由算法，能有效提高网络吞吐量并降低端到端延迟；文献[3]分析了基于WirelessHART标准的端到端通信延迟，通过计算得出了延迟的时间范围。SDN是近年来学术界研究热点。文献[4]和文献[5]分别把SDN应用到了移动接入网和无线传感器网络。目前基于SDN的思想实现工业无线网络的路由机制十分罕见。 3 路由机制 3.1 网络模型 工业无线网络可以用有向图G=（V，E）表示，其中，V表示节点的集合，E表示无线链路的集合。网络中的节点分为哑终端节点、转发节点和SDN控制器。哑终端节点没有转发能力，它将感知到的数据通过转发节点传输到网络中；转发节点在控制器的管理下对数据包进行转发；SDN控制器能够基于网络的全局视图分配网络资源和优化路由策略。 3.2 路由机制设计 控制器通过周期的拓扑发现收集网络中所有节点和链路的状态信息，建立全局的网络拓扑结构，接下来根据数据包的实时需求以及转发节点的可靠性计算转发路径，然后将新的路由规则下发给转发节点。当转发节点接收到数据包以后，按照控制器下发的路由规则转发数据包。网络运行一段时间以后，转发节点将新的节点和链路状态信息发送给控制器，便于控制器对全网信息的及时掌控，当网络中链路质量变化较大或者有转发节点发生故障时，控制器需要重新计算转发路径，及时更新转发节点中的路由规则。 3.2.1可靠性计算 转发节点i的可靠性估计值Ri通过转发成功率Fi和传输成功率Ti得出，[6]如公式1所示， 3.2.2路由决策 控制器以转发节点i和j间的传输延时di，j为度量，采用Dijkstra算法计算转发节点i到任意接入节点ak（网络中存在多个接入节点）的最短路径，如果转发节点有多条路径满足应用的实时传输需求，则依次计算每条路径中转发节点的可靠性，选取可靠性高的转发路径下发给转发节点，满足数据实时传输需求的同时提高数据传输的可靠性。 4 仿真实验 在 Linux 环境下基于 OMNET++仿真平台对提出的路由机制仿真实验，与LEACH协议和图路由协议进行对比分析，本文提出的路由机制在保证网络数据传输的实时性和可靠性方面具有较好的性能。 5 总结 本文提出了基于SDN的工业无线网络实时可靠的路由机制。SDN控制器拥有全局的网络视图，根据数据传输需求选择低时延高可靠的路径，当网络中节点故障和链路质量发生变化时，控制器重新进行路由决策，有效提高了网络的灵活性。仿真实验表明，该路由机制在提供实时服务方面表现出较好的性能。 参考文献： [1]曹健，高静.面向智能制造的工业无线网络研究[J].科学技术创新，2017（30）：95-96. [2]Pham Tran Anh Quang，Dong-Seong Kim.Throughput-Aware Routing for Industrial Sensor Networks：Application to ISA100.11a[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics，2014，10（1）：351-363. [3]Abusayeed Saifullah，You Xu，Chenyang Lu，Yixin Chen.End-to-End Communication Delay Analysis in Industrial Wireless Networks[J].IEEE Transactions on Computers，2015，64（5）：1361-1374. [4]GUDIPATI A，PERRY D，LI E L，et al.SoftRAN：software defined radio access network[C].ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Software Defined NETWORKING.ACM，2013：25-30. [5]GALLUCCIO L，MILARDO S，MORABITO G，et al.SDN-WISE：Design，prototyping and experimentation of a stateful SDN solution for wireless sensor networks[C].INFOCOM，IEEE，2015：513-521. [6]王艷妹，覃少华，曹健，等.多媒体传感器网络中跨层优化的实时路由协议[J].计算机工程，2009，35（22）：106-108. 作者简介：第一作者曹健（1984-），男，讲师，研究方向：无线网络、认知计算等。 通讯作者：高静（1985-），女，博士，北华大学，研究方向：网络优化算法。 |
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