一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法

本发明属于传感器网络，具体的说，本发明涉及一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法。

背景技术：

1、无线传感器网络(简称传感网，wsn)因其广泛的应用前景而备受关注。它由大量低功耗、低成本、多功能的传感节点组成，这些节点通过无线通信形成自组织网络，可广泛用于环境监测、目标跟踪、智能家居、精准农业等领域，对国计民生发展具有重要意义。

2、随着无线传感网在各个领域的广泛使用，也暴露出来一些问题：无线传感网络中节点的自治架构在小规模、近距离网络中表现良好，但面临着在大规模、远距离网络中管理困难的问题。此外，节点能量有限也是无线传感网络的主要挑战之一。

3、穆莱伊斯迈尔大学提出一种架构，让部分传感器节点充当全网的二级控制器，以此方式节约网络能耗，延长网络生命周期。华东理工大学提出了一种认知sdwsn框架，在该框架的基础上提出一种以强化学习为基础的机制，根据数据流的价值和分布，分别执行价值冗余过滤和负载均衡路由，提高了网络的能量效率和对环境变化的自适应性，改善了sdwsn负载平衡问题。但是，以上两种只部署单个控制器的架构，网络稳定性和性能难以保证。

4、因此目前亟需提供一种方法能优化传统的网络架构以减少传感节点的硬件复杂度，简化节点设计，降低节点成本，并减少节点能量消耗，延长网络寿命，提高网络可靠性。

技术实现思路

1、本发明主要解决以下两个方面的技术问题：

2、(1)在传统架构中，每个节点都需要独自承担物理层到应用层的所有功能，包括网络控制和数据转发。这种高度自治的架构模式在小规模、近距离的无线传感网中经过了验证，运行良好。但是一旦网络规模变大，节点分布范围扩大，这种架构就会由于缺乏灵活性和可简化性而难以有效管理。特别是在要实现低能耗和长距离通信的无线传感网应用中，传统的网络架构会成为一个主要障碍。因此，对无线传感网的架构创新成为了当前重要方向之一。

3、(2)无线传感网络中的节点主要依靠电池供电，而节点的体积和载荷有限，很难部署大容量的电池。传感节点能量有限是无线传感网络面临的主要挑战之一。节点能量耗尽后，将导致网络区域盲点、网络分区、服务中断等问题。这将严重制约网络的使用寿命。如何在能量有限的情况下，保持网络的连通性和服务质量，是无线传感网研究的核心问题之一。

4、为达到上述目的，本发明专利采用了下列技术方案：

5、一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法，软件定义传感网包括三个组件：控制节点、中心节点和普通节点，其特征在于：所述传感器网络架构分成三个层级，控制层、虚拟层和数据层，所述控制节点具备全局视图，负责网络资源管理、协调传感器节点和数据流的调度，所述中心节点负责数据层中的流表转发，根据控制节点的指令和策略来进行数据包的转发和路由决策，所述普通节点承担数据接收和动作执行任务。

6、上述的一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法，其特征在于：所述控制层部署多个控制器，以分布式方式对数据平面(层)进行控制，多控制器协同工作，管控整个网络视图；所述虚拟层位于控制层和数据层之间，采用多独立逻辑分片的方式避免不同控制器的指令干扰，每个逻辑分片独立工作，一个控制器可以对应多个应用，多个控制器也可以控制不同的应用；所述数据层节点均采用流表的抽象模型，所述流表根据控制层发布的控制指令，配置各自的匹配与动作规则，当节点收到数据包时，查找流表，依次匹配每条规则，通过流表的配置编排，规定节点的具体网络行为。

7、上述的一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法，其特征在于：所述控制器通过资源管理、网络管理和安全管理来协调整个传感网的运作；所述控制器调度传感器节点的资源，管理传感数据的质量和可靠性。

8、上述的一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法，其特征在于：所述控制层的控制器设置了定制化功能模块，对控制器功能模块进行了扩展，设置一个定制化的定义软件传感网控制器架构，该架构在控制器中增加网络编码管理模块，实现对网络编码算法的支持。

9、上述的一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法，其特征在于：网络操作系统(nos)执行网络服务功能，所述nos包括路由管理模块、应用管理模块、流表管理模块和pci；所述pci应用程序负责管理接收器和控制器之间的通信；所述应用管理模块包括拓扑管理、主机管理、链路管理和连接管理，所述拓扑管理功能来发现和维护网络链路的连接情况，即节点与节点之间的连接情况以及节点与控制器之间的连接情况；所述路由管理模块包括网络状态采集功能模块、编码管理功能模块和路由计算功能模块，所述网络状态采集功能模块采集网络的状态信息，包括链路质量和节点的状态信息，并将采集到的参数传递给所述编码管理模块和所述路由计算模块，所述路由计算模块与所述网络拓扑管理模块、编码管理功能模块、网络状态采集功能模块和流表管理模块协作完成路由计算，所述网络拓扑管理模块用于发现全局网络拓扑，并将拓扑信息发送给路由计算功能模块，所述网络状态采集功能模块用于将链路信息和节点信息发送给所述编码管理模块和所述路由计算模块；所述编码管理功能模块将节点的编码情况发送给路由计算模块；所述流表管理模块根据控制器下发的流表项对节点进行配置，并执行相应的数据流动作；所述络编码管理模块对节点的编码机会进行判断，并进行编码机会值的计算；所述流表扩展了结构，增加了编码和解码的动作项，将网络编码技术应用到了软件定义传感网中。

10、上述的一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法，其特征在于：所述的编码机会路由方法主要包括如下步骤：

11、(1)候选转发集的选择：在网络初始化过程中，每个节点通过广播探测包获取邻居节点集，并获取邻居节点之间的拓扑信息，各节点通过floyd算法计算出到达网络中其他节点的期望传输次数etx，完成网络初始化；在数据发送之前，发送节点s需从其邻居节点中选出多个节点组成候选节点集c，在数据包的头部加上各候选节点的地址并将数据包广播出去；发送节点s从其邻居节点集n(s)中选择节点v作为候选节点，则v必须满足以下条件：1)节点比更靠近目的节点，即etx(v，d)<etx(s，d)；2)节点能够侦听到候选转发集中其他节点；3)候选节点个数不得超过节点的总数量值n；

12、(2)计算编码感知路由度量：节点通过流表来确定到控制器的数据路由，流表中的优先级值决定每个流的路由方式；节点在每个传输阶段有多个可选路径，为优化路径选择，提出编码感知机会路由度量包括编码机会、垂直距离与节点剩余能量三个重要属性，通过三属性的计算获得更高的链路质量；

13、(3)候选转发集中节点优先级排序：控制器根据接收到的节点信息和数据包信息计算节点的度量值，对节点进行集中式的优先级排序；

14、(4)判断是否有更高优先级的节点发送了数据包：设置转发倒计时，优先级越高的节点，其转发时延越短；当候选节点收到源节点的转发数据包后，根据自身转发优先级设置转发计时器，在转发等待期间，如果检测到更高优先级节点已经转发了该数据包，则放弃转发；如果在期限内未检测到；则该节点转发数据包；在数据包中添加ack确认信息，如果源节点在时隙内未收到ack，则重传数据包，进一步提高可靠性。

15、上述的一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法，其特征在于：所述的编码机会指的是编码数据包中包含的原始数据包数量，确定节点的编码机会需要确认节点是否具有进行编码的能力，节点的编码能力取决于其下一跳邻居是否能够缓存编码数据包以供解码之用，为了实现这一点，发送节点的id信息和数据包的下一跳邻居的id信息被添加到每个数据包的头部。

16、上述的一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法，其特征在于：所述垂直距离的计算方法如下，

17、(1)节点nj到直线ls,d的垂直距离ψj，的具体计算公式为

18、

19、(xj，yj)表示节点j的坐标；下标s表示源节点，下标d表示目的节点；

20、(2)发送节点ni计算其相邻节点的垂直距离，并通过下面公式对其进行归一化

21、

22、得到随机变量使得其中下标mi表第i节点的邻居节点的总数量；

23、(3)发送节点到其相邻节点的垂直距离分布，用表示，其元素由下面的质量函数公式计算获得，

24、

25、指数参数γψ≥0被称为垂直距离分布控制，它决定了垂直距离分布对转发概率的影响程度。

26、上述的一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法，其特征在于：对具有较高剩余能量的节点给予更高的优先级，变量φi，j表示节点ni的邻居节点nj的剩余能量，能量归一化随机变量用下面的公式用于将随机变量归一化

27、

28、归一化到[0，1]区间，其中e*表示节点nj的初始能量；发送节点到其邻居节点的能量分布，记为由质量函数公式计算获得

29、

30、公式中的指数参数γφ≥0称为能量分布控制参数，其值越高，具有更大剩余能量的节点被选择为发送器的概率就越大。

31、上述的一种软件定义传感网架构及其编码机会路由方法，其特征在于：所述转发时延t的计算公式为t＝δt/rm，其中δt表示时间系数，取决于具体网络环境，rm为节点转发优先级度量。

32、本发明专利的技术方案的有益效果如下：

33、网络架构优化：传统的无线传感网中，每个节点需要承担物理层到应用层的所有功能，导致在大规模、远距离网络中管理困难。本专利提出的软件定义传感网架构引入了虚拟层和多个控制器的协同工作，使得网络具备更高的灵活性和可简化性。这样的架构创新可以在大规模网络中更有效地管理节点，提高网络的可靠性和性能。

34、节点能量优化：传感器节点主要依靠电池供电，而电池容量受限，使得能量耗尽成为无线传感网络面临的主要挑战之一。本专利提出的技术方案通过优化编码机会路由度量方案，减少数据包传输次数并避免选择能量较低的节点，从而延长网络的使用寿命。这对于保持网络的连通性和服务质量在能量有限的情况下具有重要意义。

35、高效数据处理和传输：本专利提出的软件定义传感网架构为无线传感网提供了一种高效的数据处理和传输方式。通过扩展控制器的功能模块和定制软件定义无线传感网控制器架构，实现了更高效的数据传输和处理，提高了网络的性能和响应速度。