CN113114494A - 一种基于sdn的物联网异构网络通信设备及数据传递算法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物联网技术领域，具体为一种基于SDN的物联网异构网络通信设备，包括SDN控制器、物联网感知层汇聚节点设备和物联网感知层感知节点设备；SDN控制器包括拓扑发现模块、控制模块、拓扑维护模块、协议转换模块、流表生成与下发模块；拓扑发现模块用于与SDN控制器通信的所有汇聚节点和感知节点的拓扑发现；拓扑维护模块对拓扑发现后的拓扑信息进行维护；协议转换模块对不同的物联网协议进行转换；流表生成与下发模块生成流表后下发到各汇聚节点设备；SDN技术应用在物联网，解决物联网感知层异构网络数据融合的问题。本发明将SDN技术应用到物联网中，描述了软件定义物联网的架构及各层设备的功能实体。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体为一种基于SDN的物联网异构网络通信设备及数据传递算法。
背景技术
目前，在物联网感知层网络环境中，接入了各类的物联网感知层设备，造成了物联网感知层网络的异构化，使得物联网的应用和发展陷入了瓶颈。因为这些物联网感知层异构网络数据不能够灵活的相互通信，只能通过以网关的方式接入物联网，这极大地限制了物联网的发展，所以，物联网感知层异构网络融合的问题成为了当前国内外研究的热点。
软件定义网络(Software Defined Network，SDN)是由美国斯坦福大学clean-slate课题研究组提出的一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。现有技术中物联网感知层异构网络融合研究主要是基于物联网网关进行设计，网关方式扩展性不强，不能适应物联网复杂多变的需求。
为解决上述问题，本申请中提出一种基于SDN的物联网异构网络通信设备及数据传递算法。
发明内容
(一)发明目的
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于SDN的物联网异构网络通信设备及数据传递算法，在以物联网网关为基础的异构网络数据融合方法中，大多数以两种协议适配的双栈网关居多，并且协议固化在物联网网关中，无法改变与扩展，极大地限制了物联网的发展。SDN技术应用在物联网，解决物联网感知层异构网络数据融合的问题的特点。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于SDN的物联网异构网络通信设备，包括SDN控制器、物联网感知层汇聚节点设备和物联网感知层感知节点设备；
SDN控制器基于Openflow协议和物联网感知层汇聚节点设备通信连接；
SDN控制器包括拓扑发现模块、控制模块、拓扑维护模块、协议转换模块、流表生成与下发模块；
拓扑发现模块用于与SDN控制器通信的所有汇聚节点和感知节点的拓扑发现；
拓扑维护模块对拓扑发现后的拓扑信息进行维护；
协议转换模块对不同的物联网协议进行转换；
流表生成与下发模块生成流表后下发到各汇聚节点设备。
优选的，物联网感知层汇聚节点设备包括数据模块和控制模块；数据模块感知物联网要采集的数据缓存与转发；控制模块将数据上传至上位机。具体过程为数据模块采集数据并通过通讯模块上传数据至物联网感知层汇聚节点设备；控制模块控制采集的数据按规则和汇聚节点设备进行数据上传。
一种基于SDN的物联网异构网络通信的数据传递算法，包括以下具体步骤：
S1、SDN控制器拓扑发现，获取全局网络拓扑；
S2、感知节点采集数据，按照异构网络的协议将采集的数据上传到汇聚节点；
S3、汇聚节点收到数据包之后，将数据包传送给控制器，控制器查看是否需要协议转换，如果不需要协议转换，则在协议转换表中查看异构网络是否可以转换；根据映射关系表，将异构网络数据包转换为对应的目的异构网络数据包；如果不能进行转换，则丢弃数据包；
S4、汇聚节点将以流表封装的数据包上传到SDN控制器，SDN控制器根据流表中的信息，将数据包发送给目的异构网络的汇聚节点；
S5、目的汇聚节点收到数据包后，通过多跳机制发送给目的感知节点。
优选的，S1中拓扑发现后，汇聚节点退出、感知节点加入、感知节点退出拓扑变化后，拓扑维护模块进行维护。
优选的，S3中协议转换过程中对不适用物联网环境下匹配域中的Enter Type、VLANID、VLAN Priority字段进行修剪。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：软件定义网络(SDN)技术在物联网的应用比较广泛，SDN技术的优势是数据平面与控制平面的解耦。开放软件编程接口实现数据转发的策略。极大地方便了网络管理人员对网络的配置与管理，提高了网络管理配置效率。解决了在物联网感知层，异构网络协议种类多，受能量、计算能力的限制，无法大规模部署与应用的问题。为各种协议不一样异构网络数据设备，提供了统一的标准。解决了在以物联网网关为基础的异构网络数据融合方法中，物联网感知层异构网络数据融合受限的问题。本发明将SDN技术应用到物联网中，描述了软件定义物联网的架构并定义了本发明各层设备的功能实体。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中SDN控制器的结构示意图；
图3为本发明中物联网汇聚节点设备结构示意图；
图4为本发明中物联网感知节点设备结构示意图；
图5为本发明中软件定义物联网架构结构示意图；
图6为本发明中协议转换结构示意图；
图7为本发明中数据传递流程结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-7所示，本发明提出的一种基于SDN的物联网异构网络通信设备，包括SDN控制器、物联网感知层汇聚节点设备和物联网感知层感知节点设备。
本发明的工作原理及使用流程：Openflow协议应用在物联网环境中，由于物联网环境的特殊性，感知节点能量有限、计算能力弱等需要对Openflow协议进行简化，轻量级的协议才能更好的适应物联网环境，本发明中SDN控制器到汇聚节点之间的数据传输使用的是Openflow协议，在物联网环境中不能直接使用，必须对Openflow协议进行简化，Openflow协议运行在安全通道中，所有通信通过流表进行交互。对不适用物联网环境下匹配域中的Enter Type、VLANID、VLAN Priority字段进行修剪。
Openflow协议中，是通过流表来进行管理配置下发策略，一张流表中有多个流表项，每个流表项中的匹配域含有多个字段。由于物联网感知层异构网络所使用的协议种类比较多，为了使物联网感知层异构网络数据相互通信，改进后流表项匹配域增加了一个字段，异构网络类型(Heterogeneous network_type)，异构网络类型字段区分物联网感知层异构网络类型。定义字段如下表1所示
定义：Heterogeneous network_type为流表项匹配域字段，为8bit。对不同的异构网络协议种类进行编码，SDN控制器通过流表，对不同的异构网络协议进行管理。
如图5所示：软件定义物联网架构主要包含3个层次，SDN控制器、汇聚节点和感知节点。SDN控制器有数据层、控制层和应用层；汇聚节点有数据层和控制层；感知节点和汇聚节点一样都有数据层和控制层，区别是感知节点能量受限，汇聚节点和SDN控制器能量不受限，计算能力SDN控制器>汇聚节点>感知节点。图中虚线代表控制流，实线箭头代表数据流。
拓扑发现过程设计SDN控制器，汇聚节点，感知节点。网络结构为树型结构，是以SDN控制器为根节点和汇聚节点、感知节点组成的集中式控制的网络结构。目前，物联网感知层异构网络协议多种多样，组网方式有有线无线混合组网，应用最广泛的是无线多跳网络，所以必须针对具体的场景进行设计，本设计的场景是，单个集中式SDN控制器，单跳汇聚节点，多跳无线感知节点。
在物联网感知层，感知节点形成簇型结构，汇聚节点为簇头。在物理层和数据链路层采用标准的IEEE.802.15.4协议，IEEE.802.15.4协议标准支持64位长地址和16位短地址，本文采用16位短地址，感知节点由于其计算能力弱，存储空间小等限制一般采用16位短地址。
主要的数据包定义如下：SDN控制器拓扑发现包(C_RQ)，SDN控制器拓扑回复包(C_RP)，汇聚节点拓扑发现包(S_RQ)，汇聚节点拓扑回复包(S_RP)，邻居发线报(N_RQ)，邻居回复包(N_RP)；
SDN控制器拓扑发线报(C_RQ)格式设计如下表2所示：
汇聚节点拓扑发现包(S_RQ)格式设计如下表3所示：
邻居发现包(N_RQ)格式设计如下表4所示：
其中规定SDN控制器拓扑发现包(C_RQ)只在汇聚节点之间广播，汇聚节点拓扑发现包(S_RQ)只能在该汇聚节点域内向感知节点广播。
拓扑发现的过程：
(1)SDN控制器定期给感知节点广播自己存在及拓扑发现包；
(2)感知节点接收到拓扑发现包后，自发向所有相同类型异构网络的感知节点发送数据包，将节点收到回复信息的时间发送给SDN控制器。
(3)SDN控制器根据感知节点收到回复信息的时间将平均回复时间(，当前传感器接收所有感知节点数据包的时间总和，为所有的节点数目)最小的感知节点设置为汇聚节点。
(4)汇聚节点更新拓扑表，并记录父节点信息，定期广播自己存在及拓扑发现包(S_RQ)。
(5)如果感知节点在单位时间收到拓扑发现包(S_RQ)，就更新感知节点拓扑表并记录父节点信息，将拓扑表上传汇聚节点，发送汇聚节点回复包(S_RP)。
(6)如果感知节点在单位时间内没有收到拓扑发现包(S_RQ)，感知节点定期广播邻居发现包(N_RQ)，并根据收到的邻居回复包(N_RP)，选择跳数最小的邻居节点作为自己的父节点，然后跳至(4)
(7)如果汇聚节点在单位时间内没有收到SDN控制器拓扑发现包(C_RQ)，汇聚节点广播1跳范围内的邻居发现包(N_RQ)。
(8)感知节点更新拓扑表并记录父节点信息，将拓扑表上传汇聚节点。
(9)汇聚节点根据(5)(7)拓扑信息汇总后向SDN控制器发送拓扑发现回复包(C_RP)结束。
当汇聚节点生成后，进行流表生成和流表下发。流表下发后，控制器可以根据流表设置的异构网络类型对当前数据传输过程进行控制。
感知节点采集到信息之后，先将数据包发送给汇聚节点，汇聚节点通过Packet_in机制将数据包发送给SDN控制器，SDN控制器通过协议映射，将数据包转换为其他协议。然后通过Packet_out发送给对应的允许接收此协议的汇聚节点。该汇聚节点再通过多跳机制传送给对应的感知节点，这样就实现了SDN框架下的异构网络的互联互通。
协议映射是通过中间协议实现多对一、一对多转换来实现类似于网关的作用。而且通过此方法实现互相通信，不需要通过硬件实现协议的互相转换，减少了互联互通的开销。
拓扑维护是在拓扑发现之后，汇聚节点退出、感知节点加入、感知节点退出造成了拓扑的变化后，对整体拓扑进行维护。
感知节点和汇聚节点失效的情况：其中主要考虑节点的跳数和能量作为参数。能量函数如公式(1)所示：
其中，Er(b)为感知节点b的剩余能量，Eo为感知节点的初始能量。
需要用到的数据包定义如下：拓扑维护(C_Repair)包。
如果有新感知节点加入SDN控制器网络，则会向邻居节点广播邻居发现包(N_RQ)，邻居节点收到邻居发现包(N_RQ)，将向新感知节点发送邻居回复包(N_RP)，新感知节点根据邻居信息选择跳数最小的感知节点作为父节点加入，更新邻居信息并向汇聚节点发送拓扑维护包(C_Repair)，汇聚节点更新拓扑表后发送新的拓扑维护包(C_Repair)给SDN控制器，SDN控制器更新拓扑表。
老感知节点失效情况：如果感知节点能量低于设置的阈值时，感知节点会向汇聚节点发送拓扑维护(C_Repair)包，汇聚节点根据拓扑维护(C_Repair)包中感知节点能量剩余信息，删除该节点拓扑更新拓扑表，然后发送给SDN控制器，SDN控制器更新拓扑表。
老汇聚节点失效情况：如果汇聚节点能量低于设置的阈值时，汇聚节点会向SDN控制器发送拓扑维护(C_Repair)包。控制器接收到拓扑维护包后，重新进行一遍拓扑发现操作。对SDN控制器拓扑表进行更新。
本发明在以物联网网关为基础的异构网络数据融合方法中，大多数以两种协议适配的双栈网关居多，并且协议固化在物联网网关中，无法改变与扩展，极大地限制了物联网的发展。SDN技术应用在物联网，解决物联网感知层异构网络数据融合的问题。本发明将SDN技术应用到物联网中，描述了软件定义物联网的架构及各层设备的功能实体。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (5)
1.一种基于SDN的物联网异构网络通信设备，其特征在于，包括SDN控制器、物联网感知层汇聚节点设备和物联网感知层感知节点设备；
SDN控制器基于Openflow协议和物联网感知层汇聚节点设备通信连接；
SDN控制器包括拓扑发现模块、控制模块、拓扑维护模块、协议转换模块、流表生成与下发模块；
拓扑发现模块用于与SDN控制器通信的所有汇聚节点和感知节点的拓扑发现；
拓扑维护模块对拓扑发现后的拓扑信息进行维护；
协议转换模块对不同的物联网协议进行转换；
流表生成与下发模块生成流表后下发到各汇聚节点设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的物联网异构网络通信设备，其特征在于，物联网感知层感知节点设备包括数据模块和控制模块；数据模块实现数据缓存与转发，具体过程为将采集的数据通过通讯模块上传数据至物联网感知层汇聚节点设备；控制模块实现将数据上传至上位机，具体过程为控制采集的数据按规则和汇聚节点设备进行数据上传。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种基于SDN的物联网异构网络通信设备还提出基于该通讯设备的数据传递算法，包括以下具体步骤：
S1、SDN控制器拓扑发现，获取全局网络拓扑；
S2、感知节点采集数据，按照异构网络的协议将采集的数据上传到汇聚节点；
S3、汇聚节点收到数据包之后，将数据包传送给控制器，控制器查看是否需要协议转换，如果不需要协议转换，则在协议转换表中查看异构网络是否可以转换；根据映射关系表，将异构网络数据包转换为对应的目的异构网络数据包；如果不能进行转换，则丢弃数据包；
S4、汇聚节点将以流表封装的数据包上传到SDN控制器，SDN控制器根据流表中的信息，将数据包发送给目的异构网络的汇聚节点；
S5、目的汇聚节点收到数据包后，通过多跳机制发送给目的感知节点。
4.根据权利要求3所述的一种基于SDN的物联网异构网络通信的数据传递算法，其特征在于，S1中拓扑发现后，汇聚节点退出、感知节点加入、感知节点退出拓扑变化后，拓扑维护模块进行维护。
5.根据权利要求3所述的一种基于SDN的物联网异构网络通信的数据传递算法，其特征在于，S3中协议转换过程中对不适用物联网环境下匹配域中的Enter Type、VLANID、VLANPriority字段进行修剪。
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