CN106330536A

CN106330536A - 一种wmSDN的网络状态信息的采集方法

Info

Publication number: CN106330536A
Application number: CN201610700846.5A
Authority: CN
Inventors: 冷晶晶; 冯穗力
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2017-01-11

Abstract

本发明公开了一种wmSDN的网络状态信息的采集方法，包括如下步骤：1、发现邻居节点，并且计算本节点到邻居节点之间的链路cost值；2、完成网络的控制信道建立和拓扑发现过程；控制器计算网络中各节点到控制器最优路径的代价值，并且通过CONTROL消息传达给交换机节点；4、交换机节点对邻居节点做一个排名，选择节点cost值与链路cost值之和最小的邻居节点作为下一跳节点，依次进行，直到REPORT消息到达控制器；5、控制器根据收到REPORT消息更新自己存储的网络拓扑图和网络状态信息数据库。本发明具有采集过程更高效强壮和更节省资源等优点。

Description

一种wmSDN的网络状态信息的采集方法

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，特别是涉及一种wmSDN的网络状态信息的采集方法，该采集方法涉及了一个软件定义无线网状网络的网络状态信息的采集过程。

背景技术

无线网状网(Wireless Mesh Network:WMN)是一种新型多跳无线网络，它具有良好的可扩展性、自愈合性以及自组织性。WMN最开始主要应用于军用通信系统，目前应用场景包括了难以通过光纤覆盖的特殊区域，诸如应急指挥通信系统等。

软件定义网络(Software Defined Network:SDN)又称为可编程网络，其主要思想是网络控制与数据转发相分离，并且网络控制功能具备可编程特性，可以通过软件程序灵活地配置网络。

软件定义无线网状网络(Wireless Mesh Software Defined Network:wmSDN)在无线网状网中引入SDN的架构，采用集中控制的方式，能够更好的配置细粒度的流量工程算法。在有关wmSDN的文献中，目前主要有两类网络状态信息采集方法：

一种是采用类似有线SDN网络中，通过二层路由机制建立控制信道，用LLDP进行拓扑发现的方式。在二层路由机制的选取上，不同于有线SDN网络的Spanning Tree、AutoLearning等方法，wmSDN选择了更加适应于无线网状网络的方式，例如BATMAN协议以及802.11s标准中基于AODV的二层路由方式。

另一种方式是采用链路状态路由协议，每个节点都维持一张全网的拓扑图，控制器通过与之相连的节点就可以获得全网的信息，例如OLSR协议。

wmSDN网络与有线SDN网络和传统的无线网状网都有所不同。相对于有线SDN网络，wmSDN的无线信道可靠性差且其拓扑结构可能会频繁变化。相对于现有分布式控制的无线网状网，wmSDN的网络状态信息只需要汇聚给控制器，而不需要在全网洪泛传播。若继续采用有线SDN网络的方式，把拓扑发现过程与控制信道建立过程隔离开来，低效而且浪费控制资源。而若继续采用无线网状网的链路状态协议的方式，网络状态消息需要在全网洪泛，且每个节点都需要维持全网的拓扑图，对控制资源和存储资源都是一个极大的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种wmSDN的网络状态信息的采集方法，该方法包括：

无线节点间通过周期性或非周期性地交换一跳HELLO消息，发现邻居节点，维持一个一跳邻居节点表，交换所需的状态信息，并且只需计算本节点到邻居节点之间的链路cost值。

控制器节点发送CONTROL消息给自己的一跳邻居表中的交换机节点，命令交换机节点发送REPORT消息给控制器节点，报告本节点的一跳邻居节点表和网络状态信息。控制器收到一跳邻居的REPORT包，就能获悉其二跳邻居节点集，由此递推，控制器节点从自己的一跳邻居开始逐步往外围扩散，完成网络的控制信道建立和拓扑发现过程。尔后，通过CONTROL消息和REPORT消息的交互，控制器维持着整个网络的网络状态信息表，基于此来集中配置和管理网络。

控制器节点检测网络的运行状况，通过CONTROL消息调整各交换机节点REPORT消息上传的周期。控制器计算网络中各节点的节点cost值，并且通过CONTROL消息传达给交换机节点。

交换机节点根据一跳邻居节点的节点cost值以及与邻居节点之间的链路cost值之和，对邻居节点做一个排名，选择节点cost值与链路cost值之和最小的邻居节点作为下一跳节点，依次进行，直到REPORT消息到达控制器

控制器根据收到REPORT消息更新自己存储的网络拓扑图和网络状态信息数据库。

信息采集的过程主要是指各交换机节点发送REPORT包到控制器的过程。系统模型中，网络拓扑可以描述成G＝(N,E)，N代表节点集，E代表节点对之间的链路集，c代表控制器节点。对任意节点i存在邻居节点集，x_i代表i节点邻居节点的个数，i_j代表邻居节点j的节点cost值。对于节点i与邻居节点j的链路cost值，用l_j表示。信息采集的过程的算法描述如下：

1.假设i为需要发送REPOERT包的节点，通过HELLO消息，节点i可以获得其一跳邻居节点表K以及其对应的邻居节点cost值和链路cost值

2.节点i计算对并其进行升序排序，排名最前的节点j就是代价最小的下一跳节点，REPORT包被传送给节点j。

3.若节点j≠c，c为控制器节点，那么在节点j将继续步骤1和2，直到到达控制器c。

在本方法中，当网络状态变化不大时，节点i的下一跳节点j对应的i_j+l_j等于节点i的节点cost值，REPORT包将按控制器预先计算的最优路径上传至控制器节点。

通常的情况下，我们认为网络的拓扑结构是一个连通图，没有孤立节点或孤立域。超过一定时间没有收到CONTROL消息也没有发送REPORT消息给控制器，就会认为这些节点成为其他节点不可达孤立节点或孤立域，它们也就不再属于这个wmSDN网络了。基于这样的前提，我们可以看到本方法有这样的特点：(1)连通图中每个节点一定有一条路径到达控制器节点。(2)每个节点的下一跳节点一定是自己的一跳邻居。(3)节点每次选择的下一跳邻居是在当前网络状态情况下到控制器代价值最小的一跳。这样就保证了网络中任意节点的REPORT消息都能够顺利到达控制器。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种wmSDN的网络状态信息的采集方法，包括如下步骤：

步骤1、无线节点间通过周期性或非周期性地交换一跳HELLO消息，发现邻居节点，维持一个一跳邻居节点表，交换所需的状态信息，并且计算本节点到邻居节点之间的链路cost值；

步骤2、控制器节点发送CONTROL消息给自己的一跳邻居表中的交换机节点，命令交换机节点发送REPORT消息给控制器节点，报告本节点的一跳邻居节点表和网络状态信息；控制器收到一跳邻居的REPORT包，就能获悉其二跳邻居节点集，由此递推，控制器节点从自己的一跳邻居开始逐步往外围扩散，完成网络的控制信道建立和拓扑发现过程；尔后，通过CONTROL消息和REPORT消息的交互，控制器维持着整个网络的网络状态信息表，基于此来集中配置和管理网络；

步骤3、控制器节点检测网络的运行状况，通过CONTROL消息调整各交换机节点REPORT消息上传的周期；控制器计算网络中各节点到控制器最优路径的代价值，称为各节点的节点cost值，并且通过CONTROL消息传达给交换机节点；

步骤4、交换机节点根据一跳邻居节点的节点cost值以及与邻居节点之间的链路cost值之和，对邻居节点做一个排名，选择节点cost值与链路cost值之和最小的邻居节点作为下一跳节点，依次进行，直到REPORT消息到达控制器；

步骤5、控制器根据收到REPORT消息更新自己存储的网络拓扑图和网络状态信息数据库。

在步骤1、步骤2和步骤3中，所述的无线节点包括控制器节点和普通交换机节点，控制器节点是指控制器依附的无线节点；所述HELLO消息、REPORT消息和CONTROL消息的作用分别是：

HELLO消息：所有节点间交换一跳的HELLO消息实现了：1)链路发现和邻居感知；2)计算节点与邻居节点之间链路的cost值；3)维护节点的一跳邻居表；

REPORT消息：普通节点通过REPORT消息向控制器汇报自己的一跳邻居表和本节点的网络状态信息；该消息需要周期性的发送，有触发事件发生时则会立刻或在设定的时间内发送；

CONTROL消息：控制器节点通过CONTROL消息告知普通节点其节点cost值，并且根据网络状态的变化情况调整REPORT消息上发的周期。

在步骤2中，网络状态信息包括网络的拓扑信息和节点/链路的状态信息两种；拓扑信息是指整个网络的链路和节点分布，节点/链路状态信息指的是表示网络的运行状态的信息，所述网络的运行状态的信息包括负载量、剩余带宽、发射功率和链路质量，这里所述负载量用缓冲队列长度和链路占用时间来衡量，所述链路质量用信噪比、误码率、时延、发送速率来衡量。

在步骤1中，链路cost值用来衡量链路代价的一个度量值，由链路两端的节点计算；基于不同的应用场合，链路cost值的计算方式有不同的度量方式，是跳数值、是链路质量权值或是综合了剩余带宽因素、剩余队列长度因素与信道特性因素和发射功率因素的一个权值；

在步骤3中，节点cost值是用来衡量该节点到控制器节点最优路径的代价值的一个度量值，由控制器进行计算；一个节点的节点cost值等于该节点到控制器节点最优路径中所有链路的链路cost值之和。

在步骤4中，REPORT消息的选路包括以下步骤：

a)假设节点i为需要发送REPOERT包的节点，通过HELLO消息，节点i可以获得其一跳邻居节点表，以及其对应的邻居节点cost值和链路cost值其中x_i代表节点i的邻居节点个数，i代表对应编号为下标的邻居节点的节点cost值，l代表节点i与对应编号为下标的邻居节点之间链路的链路cost值；

b)节点i计算对并其进行升序排序，排名最前的节点j就是代价最小的下一跳节点，REPORT包被传送给节点j；

c)若节点j≠c，那么在节点j则继续步骤a)和b)，直到到达控制器节点c，其中，c为控制器节点。

步骤4中，当网络状态不超过设定的阈值，节点i的下一跳节点j对应的i_j+l_j等于节点i的节点cost值，REPORT包将按控制器预先计算的最优路径上传至控制器节点，其中，i_j表示节点j的节点cost值，l_j节表示节点i与节点j之间链路的链路cost值。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点与有益效果：

1、本发明是软件定义无线网状网(wmSDN)的网络状态信息的采集方法，在该采集方法中，无线节点间通过一跳问候消息(HELLO消息)发现链路、感知邻居、维持一跳邻居表。控制器节点与普通交换机节点间通过报告消息(REPORT消息)和管控消息(CONTROL消息)的交互完成拓扑的发现过程。交换机节点通过报告消息向控制器汇报自己的一跳邻居表和本节点的网络状态信息。报告消息到控制器的选路是一种半自主式的基于邻居节点代价排名的方式，能够保证报告消息顺利传送到控制器。在本发明中，网络状态信息的采集过程更高效强壮、更节省资源，特别是能更好地解决由节点移动性和无线链路不可靠性造成的链路失效和拓扑动态变化等问题。

2、本发明不需要另外的通过二层路由机制建立并维持控制器到交换机的控制信道，大大节省了控制开销。与采用链路状态路由协议如OLSR的方式相比，两者都使用一跳的HELLO消息，但是本方法中的REPORT消息和CONTROL消息的洪泛范围远远小于OLSR的TC消息，而且不需要每个节点维持着全网的状态信息库，更节省控制资源和存储资源。在本方法中，网络中节点和链路的变化情况都可以通过HELLO消息及时的捕获，及时的体现在链路cost值上，而不完全依赖控制器预先计算的选路，这种节点半自主式的选路保证了REPORT消息可以顺利将节点的状态信息和状态变化信息传达给控制器，这对wmSDN网络中网络状态信息的维护和网络性能的优化配置有重要意义。

附图说明

图1是SDN网络架构示意图。

图2是基于LLDP的拓扑发现过程图。

图3a为本发明中网络状态信息采集方法的拓扑发现过程的第一个步骤初始化过程图；在该图中，每个节点之间通过HELLO消息，维持一个一跳邻居表；此时控制器的拓扑已经记录了n1和n2。

图3b为本发明中网络状态信息采集方法的拓扑发现过程的第二个步骤控制器发送CONTROL消息图；在该图中，控制器根据已有的拓扑信息建立到n1、n2的控制信道，通过控制信道发送CONTROL消息，该消息命令交换机周期发送REPORT消息。

图3c为本发明中网络状态信息采集方法的拓扑发现过程的第三个步骤交换机发送REPORT消息图；在该图中，REPORT消息的内容包括交换机的一跳邻居表和其它状态信息；控制器分析收到的REPORT消息，更新拓扑，记录二跳邻居n3。

图3d为本发明中网络状态信息采集方法的拓扑发现过程的第四个步骤控制器发送CONTROL消息图；在该图中，控制器根据已有的拓扑信息建立到n3的控制信道，通过控制信道发送CONTROL消息，该消息命令交换机周期发送REPORT消息；以此类推更多跳的节点。

图4a为本发明中网络状态信息采集方法的发现网络新节点的过程图；在该图中，通过HELLO消息，n2和n3的一跳邻居表发现了n4。

图4b为本发明中网络状态信息采集方法的发现网络新节点的过程图；在该图中，n2和n3发送REPORT消息告知控制器新的节点n4。

图4c为本发明中网络状态信息采集方法的发现网络新节点的过程图；在该图中，控制器通过n2、n3的REPORT消息更新拓扑，根据拓扑建立到n4的控制信道，并发送CONTROL消息。

图4d为本发明中网络状态信息采集方法的发现网络新节点的过程图；该图表示n4发送REPORT消息到控制器，该消息的内容包括交换机的一跳邻居表和其它状态信息；控制器收到消息后再次更新拓扑和信息表，新节点n4的发现过程结束。

图5a为本发明中REPORT包的半自主路由选路过程图；在该图中，首先，节点i计算cost排名：{节点j:2,节点m:3}，得出节点i的下一跳节点j；节点j计算cost排名：{节点c:1,节点n:2,节点m:3}，得出下一跳是节点c。

图5b为本发明中REPORT包的半自主路由选路过程图；在该图中，首先，节点i计算cost排名：{节点j:2,节点m:3}，得出下一跳是节点j；在这个时候，链路j->c失效，HELLO消息及时捕获；相对于图5a，节点j计算cost排名：{节点n:2,节点m:3}，得出下一跳是节点n；最后，节点n计算cost排名：{节点c:1,节点j:2,节点m:3}，得出下一跳是节点c。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明所述的方法进一步地详细说明。

实施例

如图1所示，为SDN网络架构示意图。依据ONF提出的SDN架构布置的网络，主要有两个网络实体：OpenFlow交换机和控制器。OpenFlow交换机主要由流表(Flow Table)、安全通道(Secure Channel)组成，流表负责报文的匹配及转发等操作，安全通道，也称为控制信道，负责与控制器建立连接。控制器负责制定SDN网络的功能和管理策略。控制器与OpenFlow交换机之间的接口使用OpenFlow协议连接。

如图2所示，为SDN网络中利用LLDP进行拓扑发现的过程。在SDN网络中，控制信道的建立与拓扑发现的过程并没有在OpenFlow标准中定义。但是SDN网络在进行拓扑发现前，每个OpenFlow交换机在初始化的过程中，都必须建立一条Openflow控制信道连接到控制器，作为控制信道。在传统有线SDN网络中，通常采用二层路由机制如Spanning Tree以及Auto Learning等方法。因为大部分主流控制器实现平台都是沿袭NOX的实现方案，所以一般认为在传统的SDN网络使用LLDP(Link Layer Discovery Protocol：链路层发现协议)作为链路发现协议。当控制器开始执行链路发现过程时，会首先通过一个Packet_out消息向所有与之相连的交换机发送LLDP数据包，该数据包命令交换机将LLDP转发给所有的端口，发送给自己的一跳邻居节点。邻居节点收到该数据包后，因为没有相应的流表，就会通过一个Packet_in消息将数据包发送给控制器。控制器收到Packet_in消息后，会对数据包进行分析，并且创建两台交换机之间的链接记录。通过这种方式，控制器就能创建出完备的网络拓扑图了。

本发明方法的拓扑发现过程包括以下步骤：

1)图3a表示初始化过程：每个节点之间通过HELLO消息，维持一个一跳邻居表。此时控制器的拓扑已经记录了n1和n2。

2)图3b表示控制器发送CONTROL消息过程：控制器根据已有的拓扑信息建立到n1、n2的控制信道，通过控制信道发送CONTROL消息，该消息命令交换机周期发送REPORT消息。

3)图3c表示交换机发送REPORT消息过程：该消息的内容包括交换机的一跳邻居表和其它状态信息。控制器分析收到的REPORT消息，更新拓扑，记录二跳邻居n3。

4)图3d表示控制器发送CONTROL消息过程：控制器根据已有的拓扑信息建立到n3的控制信道，通过控制信道发送CONTROL消息，该消息命令交换机周期发送REPORT消息。以此类推。

控制器由一跳邻居开始，通过CONTROL消息和REPORT消息逐步向外围多跳邻居扩散，直至所有拓扑节点被发现。控制器中，拓扑信息和网络状态信息的维护更新主要通过交换机周期性的发送REPORT消息。REPORT消息除了报告自己的一跳邻居表用于拓扑发现和维护，还会携带本节点的状态信息，如：队列长度、剩余带宽等物理层和MAC层信息，这些信息对无线网络的资源管理和跨层路由等研究有重要意义。关于无线网络的资源管理和跨层路由，现在已经有相当多的研究成果可用。

如图4a、图4b、图4c和图4d所示，是本发明的方法中新节点加入网络的过程；无线节点间的HELLO消息使得其一跳邻居能够迅速地发现新节点，然后其邻居节点发送REPORT消息到控制器，控制器根据这些REPORT消息更新拓扑并计算出一条到新节点的控制信道。借助控制信道，控制器发送一个CONTROL消息给新节点，命令新节点周期性的发送包含邻居节点信息和状态信息的REPORT消息。新节点收到命令后发送一个REPORT消息，新节点就可以加入到网络中了。

本发明中主要的过程如下：各交换机节点向控制器发送REPORT消息的汇聚过程。wmSDN的网络状态信息采集过程需要解决节点移动性大、拓扑变化大等问题的挑战。本发明创新性的使用了一种基于邻居节点cost值排名的半分布式方法来保证网络状态信息的正常采集。

对于运行网络中任意普通交换机节点i，其节点cost值(反映其到控制器节点代价的一个值)已经通过CONTROL消息获取。通过HELLO消息的交互，也已经知道其与各个邻居节点之间链路的链路cost值。基于此，节点i的REPORT包的选路过程如下：

1)过HELLO消息，节点i可以获得其一跳邻居节点表K以及其对应的邻居节点cost值和链路cost值

2)节点i计算对并其进行升序排序，排名最前的节点j就是代价最小的下一跳节点，REPORT包被传送给节点j。

3)若节点j≠c，c为控制器节点，那么在节点j将继续步骤1和2，直到到达控制器c。

这样做的优点是当由节点移动或者无线信道不稳定等各种原因造成链路失效时，都可以由HELLO消息及时的捕获，自然对应的邻居节点就不再会把失效邻居节点作为一个可选的到达控制器的下一跳节点。这样保证了交换机节点的REPORT包可以顺利到达控制器，控制器可以及时的动态更新信息库，更好的配置和管理网络。图5a和图5b的示例的cost值只考虑了跳数，但是在实际应用中，基于不同的应用场合，链路cost值的计算方式有不同的度量方式，可以是跳数值，也可以是链路质量权值，也可以是综合了剩余带宽、剩余队列长度、信道特性和发射功率等因素的一个权值。

此外，采用本发明方法与使用链路状态路由协议OLSR方式的相比，两者都使用一跳的HELLO消息，关键的对比在于OLSR的TC消息和本方法的REPORT消息、CONTROL消息。

OLSR方法中，每个节点产生的TC消息需要在全网洪泛，传播的范围是全网N-1个节点。整个网络的洪泛范围是：N*(N-1)。采用本发明的方法，REPORT消息和CONTROL消息的洪泛范围是：c_i为控制器到节点i的控制信道的节点数，控制器节点对应的c_i为0，且一般情况，c_i远小于N。

在OLSR方法中，每个节点需要存储全网的拓扑信息，假设每条记录占一个单位的存储量，对于一个有N个节点的网络，那么网络总共需要的存储单位数为：N²。在本发明方法中，除控制器节点外，每个节点只需要存储其邻居节点的信息，假设第i个节点的邻居节点个数为x_i，x_c为控制器节点的邻居节点个数，那么网络总共需要的存储单位数为：

从上面的分析可以看出，本发明方法在节省控制资源和存储资源方面与OLSR相比有很大的优势，随着节点增多，这个优势也会更加的明显。而与先采用二层路由建立安全信道然后再进行拓扑发现的方式相比，更加的高效，而且节省的控制资源也是可观的。控制信道与拓扑发现分开的方式，本质上是要先运行一套二层路由协议，再通过另一个协议来进行拓扑发现和拓扑管理，这种两个过程都会网络中洪泛大量的控制消息。而且一旦某条链路失效，就要对路径重新进行计算，大大的降低了网络的运行效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种wmSDN的网络状态信息的采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的wmSDN的网络状态信息的采集方法，其特征在于：在步骤1、步骤2和步骤3中，所述的无线节点包括控制器节点和普通交换机节点，控制器节点是指控制器依附的无线节点；所述HELLO消息、REPORT消息和CONTROL消息的作用分别是：

3.根据权利要求1所述的wmSDN的网络状态信息的采集方法，其特征在于：在步骤2中，网络状态信息包括网络的拓扑信息和节点/链路的状态信息两种；拓扑信息是指整个网络的链路和节点分布，节点/链路状态信息指的是表示网络的运行状态的信息，所述网络的运行状态的信息包括负载量、剩余带宽、发射功率和链路质量，这里所述负载量用缓冲队列长度和链路占用时间来衡量，所述链路质量用信噪比、误码率、时延、发送速率来衡量。

4.根据权利要求1所述的wmSDN的网络状态信息的采集方法，其特征在于：在步骤1中，链路cost值用来衡量链路代价的一个度量值，由链路两端的节点计算；基于不同的应用场合，链路cost值的计算方式有不同的度量方式，是跳数值、是链路质量权值或是综合了剩余带宽因素、剩余队列长度因素与信道特性因素和发射功率因素的一个权值；

5.根据权利要求1所述的wmSDN的网络状态信息的采集方法，其特征在于，步骤4中，REPORT消息的选路包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的wmSDN的网络状态信息的采集方法，其特征在于，步骤4中，当网络状态不超过设定的阈值，节点i的下一跳节点j对应的i_j+l_j等于节点i的节点cost值，REPORT包将按控制器预先计算的最优路径上传至控制器节点，其中，i_j表示节点j的节点cost值，l_j节表示节点i与节点j之间链路的链路cost值。