CN108696432A - 一种业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法 - Google Patents

一种业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线网络路由方法的技术领域，更具体地，涉及一种业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法，将SDN技术应用于工业无线Mesh网络，针对工业无线Mesh网络中多样性业务流服务质量保障需求，通过SDN控制器实时检测全局网络拓扑和网络状态，以为关键业务流提供确定性的传输时延、带宽、可靠性等服务质量为目标，设计基于优先级的业务流路由算法，为各业务流实时动态计算最优数据传输路径，并将路由转发规则以流表形式配置到各无线Mesh路由器。本发明能够解决目前分布式路由机制难以为关键业务流提供确定性的实时可靠网络服务质量的问题，保障工业系统关键业务数据流的传输性能。

Description

一种业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法
技术领域
本发明涉及无线网络路由方法的技术领域，更具体地，涉及一种业务流优先 级的SDN无线Mesh网络路由方法。
背景技术
在过去几十年中，迅猛发展的互联网带给了人们巨大的便利，特别是无线技 术如WIFI，蓝牙等等。可以预见的是，无线技术将会在未来得到更大的发展， 如无线Mesh网络等。然而，当前的无线Mesh网络路由方法的一些关键技术问 题仍然有待解决，特别是在工业无线多跳网络中，无线链路的质量不稳定，并且 各业务流的优先级各有高低。在这个领域中，已经有很多学者针对如何提高无线 Mesh网络的质量进行了研究。然而，大多数的方法仅考虑最短跳数路由方法、 或者考虑节点剩余能源的路由方法等等，现有方法仍然缺少如何提高网络QoS 的方法。
SDN(软件定义网络)是近几年提出的网络架构，它解耦了控制平面和转发 平面，实现了集中式控制。然而，传统的无线Mesh网络是分布式的，每个无线 Mesh路由器运行自己的算法，SDN集中式控制能够满足无线Mesh网络的QoS 需求。当前的工业网络中的网络对象急剧增多，如机床上云、移动小车、实时监 控等等，网络上的负载已经急剧增加，常常超过了原本网络的负载能力，而传统 网络只是尽力服务，使得一些关键业务如紧急动作、控制动作等业务流得不到确 切的保障。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种业务流优先级的SDN无 线Mesh网络路由方法，使得高优先级的业务可以得到比低优先级业务的转发和 路由，而不受到低优先级业务的干扰，且实现简单，能够得到有效的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法，所述无线Mesh网络包 括无线Mesh路由器，所述无线Mesh路由器连接有SDN控制器以及接入无线路 由器的用户终端，所述路由方法构件步骤如下：
S1.每个无线Mesh网络路由器感知附近的邻居节点并且估算无线Mesh网 络路由器与邻居节点之间可传送最大宽带大小bij；
S2.SDN控制器以广播的形式通知每个无线Mesh路由器，每个无线Mesh 路由器将步骤S1中邻居节点以及对应的宽带大小bij告知SDN控制器得到初始 化数据包，同时将无线Mesh路由器的节点信息附在SDN控制器广播的初始化 数据包并转发出去；
S3.循环步骤S2直至每个Mesh路由器都收到了SDN控制器的初始化数据 包，并回复了SDN控制器，形成无线Mesh网络的拓扑图，构建邻居宽带矩阵 B＝{bij}和网络状态拓扑矩阵G＝B＝{bij}；
S4.当无线Mesh路由器有数据流要发送时，先向SDN控制器发出路由请求， 并附上无线Mesh路由器的业务流优先级信息pri；
S5.SDN控制器收到路由请求后，根据步骤S3的拓扑图以及步骤S4中所述 的优先级信息pri，计算路径Path和业务流的带宽分配，并发回消息至无线Mesh 路由器和涉及到所述路径的其他无线Mesh路由器。
本发明的业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法，将SDN技术应用 于工业无线Mesh网络，针对工业无线Mesh网络中多样性业务流服务质量保障 需求，通过SDN控制器实时检测全局网络拓扑和网络状态，以为关键业务流提 供确定性的传输时延、带宽、可靠性等服务质量为目标，设计基于优先级的业务 流路由算法，为各业务流实时动态计算最优数据传输路径，并将路由转发规则以 流表形式配置到各无线Mesh路由器。本发明能够解决目前分布式路由机制难以 为关键业务流提供确定性的实时可靠网络服务质量的问题，保障工业系统关键业 务数据流的传输性能。
优选地，步骤S5所述路径的计算方法包括以下步骤：
S51.SDN控制器首先将低优先级的业务流宽带重新加回至网络状态拓扑矩 阵G中，根据矩阵G计算最短路径，并分配最短路径剩余的宽带给所述业务流， 得到新的网络状态拓扑矩阵；
S52.若步骤S51所述业务流所需宽带未得到满足，则根据新的网络状态拓 扑矩阵继续计算路径Path；反复计算，至所述业务流所需宽带得到满足或无可达 路径为止；
S53.SDN控制器检查低优先级的业务流路径及宽带是否改变，若改变，则 重复步骤S51和步骤S52，直至所有的业务流都处理完毕。
优选地，在步骤S5后，还包括步骤S6：每当无线Mesh路由器感知自己的 邻居节点或要发送的业务流的优先级发生变化时，向SDN控制器发送更新无线 Mesh网络的拓扑图。
优选地，在步骤S6后，还包括步骤S7：当目标无线Mesh路由器接受完业 务流，断开链接后，告知SDN控制器自己的业务流已经接受完毕；SDN控制器 接收信息后，抹除自己本地维护的业务流优先级的表中对应的项。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法，将SDN技术应用 于工业无线Mesh网络，针对工业无线Mesh网络中多样性业务流服务质量保障 需求，通过SDN控制器实时检测全局网络拓扑和网络状态，以为关键业务流提 供确定性的传输时延、带宽、可靠性等服务质量为目标，设计基于优先级的业务 流路由算法，为各业务流实时动态计算最优数据传输路径，并将路由转发规则以 流表形式配置到各无线Mesh路由器。本发明能够解决目前分布式路由机制难以 为关键业务流提供确定性的实时可靠网络服务质量的问题，保障工业系统关键业 务数据流的传输性能。
附图说明
图1为本发明的业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法的流程图。
图2为初始网络状态拓扑图。
图3为网络状态拓扑图一。
图4为网络状态拓扑图二。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性 说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好 地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产 品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可 以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明 的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或 位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描 述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构 造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本 专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语 的具体含义。
实施例1
如图1至图4所示为本发明的业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方 法的第一实施例，本实施例中的无线Mesh网络包含三种元素，位于最上方的SDN 控制器，在实际部署中可以由一台普通的主机和一张无线网卡组成，主机上运行 着SDN控制器软件POX；中间一层为多个无线Mesh路由器，在实际部署中一个 无线Mesh路由器可以是一个装有linux系统的电路板，这种电路板应带有多个无 线接口或有线接口，其中带有有线接口的电路板可以设置为网关；最下方一层代 表终端，比如工业环境下的机床、视频监控、传感器等等，它们连接到它们附近 的无线Mesh路由器上。
本实施例中，假设网络拓扑状态如图2所示，并且图中每个节点之间的链路 带宽都为10Mbit/s，所述路由方法构件步骤如下：
S1.初始化：每个无线Mesh路由器感知自己附近的节点，每个无线Mesh 路由器以广播的形式发出Hello包，每个在它通信范围内的无线Mesh路由器接 收到Hello数据包之后，返回一个Hello-ACK包给它；接收到Hello-ACK包后， 每个无线Mesh路由器记录自己的邻居节点的信息；
S2.SDN控制器以广播的形式发出INIT数据包通知各个无线Mesh路由器： 每个无线Mesh路由器收到包之后，将自己记录的邻居节点和自己的信息告知 SDN控制器，沿着INIT包的路径发回INIT-ACK数据包，同时在INIT包上附上 自己的路由信息转发出去；其中节点回复INT数据包INT-ACK格式如表1所示， 节点回复INIT数据包INIT-ACK格式如表2所示：
表1 SDN控制器广播数据包INIT格式
控制器广播数据包INIT表项 数值
数据包类型 0x01
数据包ID
经过路径 L
表2节点回复INIT数据包INIT-ACK格式
节点回复INIT数据包INIT-ACK表项 数值
数据包类型 0x02
数据包ID
发送节点 IPstart
中继节点 {ni}
邻居信息 N
S3.经过一段时间后，每个Mesh路由器都收到了SDN控制器的INIT数据 包，并沿着该数据包发来的路径发回了INIT-ACK数据包给控制器；此时控制器 已经知道了全局的拓扑信息，构建了全网的拓扑图，生成了一个邻居带宽矩阵B， 并在本地维持一个业务流优先级的表；
在本实施例中，邻居带宽矩阵B和当前网络状态拓扑矩阵G分别为：
S4.每当无线Mesh路由器有数据包要发送时，它首先查询自己的路由表， 如果有路由信息，则沿着该路由路径发送数据包；否则，它向SDN控制器发出 路由请求RREQ数据包，并附上自己的业务流优先级信息pri；本实施例的路由 请求RREQ数据包格式如表3所示：
表3路由请求RREQ数据包格式
路由请求数据包RREQ表项 数值
数据包类型 0x03
数据包ID
发送节点 IPstart
目标节点 IPend
业务流优先级 pri
所需带宽 Bandwidth_Required
S5.SDN控制器收到路由请求RREQ后，根据自己已知的全局拓扑信息和收到的数据包的优先级信息，计算路由路径，然后发回RREP数据包给该无线Mesh 路由器；本实施例的路由请求回复RREP数据包格式如表4所示：
表4路由请求回复RREP数据包格式
路由请求回复数据包RREP表项 数值
数据包类型 0x04
目标节点 IPend
序列号
设置的流表项 Entry
在步骤S5中，SDN控制器计算路由路径的方法步骤如下：
假设此时节点C正在向节点D传输优先级为7的数据流Flow1，该流所需带 宽为7Mbit/s，实际传送带宽也为7Mbit/s。此时当前网络状态拓扑矩阵G为：
此时优先级为7的网络带宽矩阵G7为：
如果此时节点A想要传送带宽为10Mbit/s的数据流Flow2给节点E，其优先 级为3。控制器首先根据矩阵G计算最短路径，得到路径A-C-D-E。由于Flow2 的优先级比Flow1的优先级低，所以Flow2不应干扰Flow1的传输。所以Flow2 分配到的带宽只有3Mbit/s，远小于所需带宽10Mbit/s。此时的当前网络状态拓 扑矩阵G为：
此时优先级为3的业务流网络带宽矩阵G3为：
由于Flow2所需的带宽还未得到满足，所以控制器继续根据矩阵G计算最短 路径，得到路径A-C-B-D-E，分配到带宽7Mbit/s。此时的矩阵G和G3分别变为：
此时Flow2已经得到了10Mbit/s的带宽，于是SDN控制器停止计算，并将 计算得到的业务流路径发给涉及到该路径的所有路由器。
假设某一时刻节点B发生故障，此时网络状态拓扑图如图4所示。经过一段 时间后，A和C发现与邻居节点B失去了连接，则A和C分别向控制器发送 UPDATE数据包，此时控制器更新拓扑矩阵B，并且重新计算当前网络状态拓扑 矩阵G，分别为：
当节点B恢复后，重新与节点A和节点C建立连接，则节点A、B、C分别 向控制器发送UPDATE数据包，此时控制器更新拓扑矩阵B并重新计算业务流， 得到拓扑矩阵B和当前状态拓扑矩阵G分别为：
假设在上述状态下，节点C要发送带宽为3Mbit/s、优先级为5的数据流Flow3 给B。此时控制器将优先级较低的矩阵G3重新加回到矩阵G中，得到矩阵G为：
然后，控制器根据矩阵G计算Flow3的最短路径并且分配带宽，得到新的矩 阵G和优先级5的网络带宽矩阵G5为：
然后再计算Flow2的最短路径和带宽，得到路径A-C-D-E，带宽为3Mbit/s 和路径A-C-B-D-E，带宽为7Mbit/s。此时矩阵G和G3分别为：
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法，其特征在于，所述无线Mesh网络包括无线Mesh路由器，所述无线Mesh路由器连接有SDN控制器以及接入无线路由器的用户终端，所述路由方法构件步骤如下：
S1.每个无线Mesh网络路由器感知附近的邻居节点并且估算无线Mesh网络路由器与邻居节点之间可传送最大宽带大小bij；
S2.SDN控制器以广播的形式通知每个无线Mesh路由器，每个无线Mesh路由器将步骤S1中邻居节点以及对应的宽带大小bij告知SDN控制器得到初始化数据包，同时将无线Mesh路由器的节点信息附在SDN控制器广播的初始化数据包并转发出去；
S3.循环步骤S2直至每个Mesh路由器都收到了SDN控制器的初始化数据包，并回复了SDN控制器，形成无线Mesh网络的拓扑图，构建邻居宽带矩阵B＝{bij}和网络状态拓扑矩阵G＝B＝{bij}；
S4.当无线Mesh路由器有数据流要发送时，先向SDN控制器发出路由请求，并附上无线Mesh路由器的业务流优先级信息pri；
S5.SDN控制器收到路由请求后，根据步骤S3的拓扑图以及步骤S4中所述的优先级信息pri，计算路径Path和业务流的带宽分配，并发回消息至无线Mesh路由器和涉及到所述路径的其他无线Mesh路由器。
2.根据权利要求1所述的业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法，其特征在于，步骤S5所述路径的计算方法包括以下步骤：
S51.SDN控制器首先将低优先级的业务流宽带重新加回至网络状态拓扑矩阵G中，根据矩阵G计算最短路径，并分配最短路径剩余的宽带给所述业务流，得到新的网络状态拓扑矩阵；
S52.若步骤S51所述业务流所需宽带未得到满足，则根据新的网络状态拓扑矩阵继续计算路径Path；反复计算，至所述业务流所需宽带得到满足或无可达路径为止；
S53.SDN控制器检查低优先级的业务流路径及宽带是否改变，若改变，则重复步骤S51和步骤S52，直至所有的业务流都处理完毕。
3.根据权利要求1所述的业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法，其特征在于，在步骤S5后，还包括步骤S6：每当无线Mesh路由器感知自己的邻居节点或要发送的业务流的优先级发生变化时，向SDN控制器发送更新无线Mesh网络的拓扑图。
4.根据权利要求3所述的业务流优先级的SDN无线Mesh网络路由方法，其特征在于，在步骤S6后，还包括步骤S7：当目标无线Mesh路由器接受完业务流，断开链接后，告知SDN控制器自己的业务流已经接受完毕；SDN控制器接收信息后，抹除自己本地维护的业务流优先级的表中对应的项。
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