CN114828153A - 基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法 - Google Patents

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CN114828153A CN202210428498.6A CN202210428498A CN114828153A CN 114828153 A CN114828153 A CN 114828153A CN 202210428498 A CN202210428498 A CN 202210428498A CN 114828153 A CN114828153 A CN 114828153A
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Abstract

本发明提出一种基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法。该方法由控制器下发流表项过程中控制器和普通节点的操作组成，包含“完全精简源节点地址字段”、“自适应精简目的节点地址字段”和“完全精简控制器地址字段”三种新机制；在不影响路由信息传送效果的前提下采用自适应组播方式传送流表项控制分组，精简了流表项所含基本路由表中的所有源节点地址字段、所有装载控制器地址的字段，并自适应地减少目的节点地址字段；从而显著减少了控制器下发的流表项中的路由信息，缩短了流表项控制分组的长度，降低了路由信息传送方法的控制开销，增加了网络的可用带宽，有利于提高网络吞吐量和数据分组平均端到端时延等性能。

Description

基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法
技术领域
本发明属于无人机自组网(Unmanned Aerial Vehicles Ad Hoc Networks,UAVAN)技术领域，尤其涉及采用软件定义网络(Software-Define Network,SDN)架构中的flow_mod流表下发机制来传送路由信息的无人机自组网应用场合。
背景技术
随着飞行控制和集成电路技术的发展，各种形状和功能的无人机(UnmannedAerial Vehicles，UAV)在设计和研发方面都取得了迅速的进展。无人机是一架无需承载任何人员的飞机，它的飞行可以自主操作或远程机载计算机系统自动控制。与载人飞机相比，无人机具有灵活性、低成本和高机动性等特点，无人机被广泛应用在环境监测、中继网络、交通农业管理和灾害救援等领域，如附图1所示。随着无人机技术的快速发展，无人机正在从单一平台操作模式发展到群体网络化操作模式。与单架无人机相比，多架协同无人机可以极大地扩展覆盖范围，提供从远程到数据控制中心的实时数据传输，共同完成各种民用和军用任务。无人机自组网是一种新颖的移动自组织网络，其将移动自组网应用在空间组网中，为未来航空领域提供了更广阔的发展，与传统的无线移动自组网相比，无人机自组网具有某些独特的特点，如节点的高速移动性、频繁的拓扑变化、低延迟要求和高可靠性等特点，如附图2所示。
而SDN诞生于美国GENI项目资助的斯坦福大学Clean Slate课题，斯坦福大学NickMcKeown教授为首的研究团队提出了OpenFlow的概念用于校园网络的试验创新，后续基于OpenFlow给网络带来可编程的特性，SDN的概念应运而生。Clean Slate项目的最终目的是要重新发明因特网，旨在改变设计已略显不合时宜，且难以进化发展的现有网络基础架构。附图 3给出了SDN构架的逻辑图。SDN的新架构思想也逐渐应用于各种有线、无线的场景中，而无线中的场景，大多在于无人机自组网、移动自组网、无线网状网络和车载物联网等中。总之， SDN具有传统网络无法比拟的优势：首先，数据控制解耦合使得应用升级与设备更新换代相互独立，加快了新应用的快速部署；其次，网络抽象简化了网络模型,将运营商从繁杂的网络管理中解放出来，能够更加灵活地控制网络；最后，控制的逻辑中心化使用户和运营商等可以通过控制器获取全局网络信息，从而优化网络，提升网络性能。
可以预见的是，随着无人机技术的发展以及无人机所担负的任务的复杂化和多元化，无人机集群和反无人机技术将是未来无人机发展的重要方向，无人机未来将会朝着信息化、高速化、集群化等方向发展。而无人机群的组网、单架无人机间的通信以及无人机群与控制中心间的通信、对无人机群网络状态的掌控正成为现阶段无人机发展所面临的关键技术难题之一，引入 SDN新架构思想势在必行。
与现有无线移动自组网一样，软件定义无人机自组网，如何为拓扑架构变化较快的无人机自组网提供及时的流表项成为了无人机自组网最关键的问题之一，因此研究一种高效、可靠的流表下发方法将极大地提高无人机自组网的网络性能。当前，国内外对于软件定义无人机自组网流表下发机制相关研究较少，以下描述一些学者对SDN流表下发机制的相关研究。
邹剑锋等人对SDN组网与组播进行了研究，他们提出了一种新型的组播方案，参见文献[1]: 邹剑锋.基于OpenFlow的SDN组网技术研究[D].北京邮电大学,2014。此方法结合SDN网络可编程特性，可以重新考虑在组播路由的协议，去除传统组播复杂的路由协和算法。在新型的组播方案中，考虑如下的设计原则：(1)数据平面和转发平面分离；(2)集中计算组播树；(3) 管理组播组有关的事件；(4)用户接入鉴权综合上面的设计原则，本文中基于SDN的统一组播机制的原理概述如下，客户主机通过IGMP报文动态的加入和离开组播组，OpenFlow边界交换机(edgeOFS)将收到的用户的IGMP请求发送给控制器，IGMP信息中包含了客户机的MAC地址和请求组播源的P地址,控制器通过连接用户数据库判断用户的MAC的合法性，鉴权完毕后，控制器的拓扑模块(topology)和路径计算模块(routecomputing)会选择一条路径将组播源数据传送到边缘节点，再从边缘节点传输给用户。当同一个边缘节点下再有用户请求相同的资源，同样去检测用户的权限，完毕后直接更新边缘节点的流表，将组播数据流同时发送给两个用户。此方案中，SDN控制器管理底层的交换设备，维持了全网的视图和拓扑，交换设备负责组播数据包的转发。在核心交换机(core OFS)中，对于从组播源的数据流透明转发，不做任何处理，类似于单播。边缘交换设备(edge OFS)与用户相连，在收到用户的资源请求后，由于初始时没有流表，会将用户的请求发到控制器，控制器为其添加多播流表。可以看出，SDN控制器是完成新型组播的关键。应该具备以下功能：配置流表、维护全网视图、计算组播树、处理组播用户的请求，用户身份的鉴权识别。根据研究，现有技术一的主要不足有：虽然在此组播机制与传统IP组播相比较而言，降低了时延，但是相对于传统的SDN网络的控制器来说，却是增大了OpenFlow控制器的负载。
Marcondes等人研究了一种新的组播方案与一种组播“clean-slate”算法(参见文献[2]： C.A.C.Marcondes,T.P.C.Santos,A.P.Godoy,C.C.Viel and C.A.C.Teixeira, "CastFlow:Clean-slate multicast approach using in-advance path processing inprogrammable networks,"2012IEEE Symposium on Computers and Communications(ISCC), Cappadocia,2012,pp.000094-000101,doi:10.1109/ISCC.2012.6249274.)，这篇文章提出的CastFlow是一种在可编程网络中为一种全新的组播方法而提出的公共开源方案。 CastFlow通过对所有组播组的统一视图，可以将所有组播树聚合到一个林中。森林将使用相同的多播主干来传播数据。由此，可以减少路由表中的条目数量，从而提高更大的可伸缩性，甚至更好的路由性能。这篇文章提出了一种组播“clean-slate”算法，该算法预先计算了从源到组成员的所有可能路由，以加快组播中事件(加入、离开和源变更)的处理速度。在这篇文章中实现了一个使用OpenFlow的原型，以帮助理解路由计算的初始成本，并描述处理事件所花费的时间。OpenFlow协议基于可编程交换机，可编程交换机在开发新的软件定义的网络应用程序时具有一定的灵活性，同时减轻了制造商适应传统交换机的负担。OpenFlow交换机(OF) 能够使用所谓流表中定义的规则转发数据包。此外，还有一个控制器元件连接到的开关。在控制器上，网络应用程序处理网络事件，如流到达，使用OF协议，远程控制OF交换机，管理任意粒度的网络流。网络控制器提高了网络的编程灵活性，可以完全重新考虑组播路由协议，而不需要使用复杂且容易出错的分布式算法。这是这项工作中使用的新方法。在这种新的组播方法中，考虑了以下设计决策:(1)分离数据平面和控制平面；(2)集中计算组播树；(3)管理与组播组相关的事件；(4)允许对组播树进行快速更改；(5)防止瓶颈，提高可靠性/可用性。从网络的角度来看，这些决策支持优化的组播，具有高处理速率的加入和使参与者主机与应用程序的严格要求保持一致。由于CastFlow是一种在可编程网络中为一种全新的组播方法而提出的公共开源方案，其思想是处理大量能够动态进入和离开组播组的主机。因此，控制组的事件处理效率变得至关重要。为了增强对这类事件的处理能力，在组播组的设置过程中提前计算了所有可能的路由。通过实验开发以及算法复杂度分析的结果表明，计算路由和处理组事件的时间可能比逻辑分布技术获得的时间更短。通过这种方式，逻辑集中的方法可以提高组事件处理的响应时间，允许在多播组中进行平滑的更改和更好的组管理。这篇文章通过可编程网络的集中式的组播方案，预先计算组播树，减少了事件处理时延。根据研究，现有技术二的主要不足有：配置交换机所花费的时间很大。
SDN中的flow_mod包用于流表下发，告知交换机应如何转发数据包，属于OpenFlow协议中的一个重要消息包，但是其多用于有线星型网络中，其主动流表下发机制表现为对于每一个交换机，控制器都会将属于此交换机的每条流表项逐条下发；被动流表下发机制为在交换机不知道如何处理数据包时，向控制器询问，控制器在收到问询消息后，被动下发相应的流表项，帮助交换机对数据包进行转发。
而在软件定义无人机自组网环境中，在控制器获取全网拓扑后，开始进行周期性的流表下发，下发的流表中包含了控制器为接收节点计算出的路由信息。根据经典的软件定义网络技术，流表计算和下发步骤如下：
(1)通过邻居信息与拓扑信息构建出邻接矩阵图，同时计算出从控制器节点到网内其他节点的路由。
(2)通过控制器节点的本地路由表，根据到网内其他节点的跳数的由小到大，依次将目的地址作为源地址，计算其作为源地址到其他网内节点的流表。
(3)每计算出一条流表项，控制器节点便发送一条流表项；每一条流表项中包含了一条基本路由表项，如说明书附图4所示，该路由表项包含如下4个字段：
1)源节点(即接收该流表项的目的节点)地址；
2)目的节点地址；
3)下一跳节点地址；
4)跳数。
控制器下发流表项按照节点距离由近及远的顺序依次下发，以保证需要中间节点转发流表时，中间节点有可匹配的流表可用。
(4)控制器循环将所有的目的节点都作为源地址去计算，计算后即下发，直到所有流表项全部下发完毕。
(5)为适应无人机自组网的网络环境，等待一定的周期性后，再次重复以上的工作流程，根据全局拓扑感知的改变再次计算全局流表并下发。
上述用一条流表项传送一条路由表项的路由信息传送方法原理清晰、使用方便，但在控制开销和传送时间方面不是很优化。因此，出现了把路由表项合并成路由表用一条流表项传送的思路，合并基本路由表项而成的基本路由表如附图5所示；并且还出现了基于组播的路由信息传送方法，即用一条流表项一次性传送多个基本路由表给多个节点，包含多个基本路由表的基本路由表集合如附图6所示。
比起一次传送一条路由表项的方式，一次传送一个基本路由表集合的组播方法已经能够明显降低控制开销。但本发明申请的提出人员通过深入的研究分析，发现上述基于组播、采用基本路由表集合的路由信息传送方法仍然存在路由信息的冗余，具体如下：
(1)每个基本路由表中都包含有“源节点地址”字段，而且内容相同的“源节点地址”字段多次出现。
(2)内容基本相同的“目的节点地址”字段序列在不同的基本路由表中多次出现。
(3)“控制器地址”字段在每个基本路由表的“目的节点地址”字段序列中都出现。
上述三方面的控制信息冗余导致现有的基于组播的软件定义无人机自组网路由信息传送方法存在不必要的控制开销，影响了路由信息传送方法的效率，对软件定义无人机自组网的可用带宽造成了浪费。因此，为了提高软件定义无人机自组网路由信息传送方法的效率从而提升软件定义无人机自组网的性能，有必要提出有创新性的方法对上述问题加以解决。
发明内容
为了解决上述基于组播的软件定义无人机自组网路由信息传送方法的路由信息冗余问题，本发明提出一种基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法，该方法包含“完全精简源节点地址字段”、“自适应精简目的节点地址字段”和“完全精简控制器地址字段”三种新机制，从源节点地址字段、目的节点地址和控制器地址字段三个方面尽可能地减少了现有软件定义无人机自组网中基于组播的路由信息传送方法存在的冗余路由信息。下文详细介绍上述新机制的基本思路和主要操作。
(一)本发明所提方法包含的新机制的基本思路和主要操作
本节具体介绍“完全精简源节点地址字段”、“自适应精简目的节点地址字段”和“完全精简控制器地址字段”三种新机制的基本思路和主要操作。
1“完全精简源节点地址字段”新机制的基本思路和主要操作
“完全精简源节点地址字段”新机制的基本思路是：
在软件定义无人机自组网中，控制器在通过下发流表项传送路由信息时(流表项包含路由信息域)，无论是基于组播方式还是单播方式(如只有1个路由表项需要传送时)，也无论路由信息的形式是基本路由表(包括只有一条路由表项的路由表)还是基本路由表集合，在这三种结构中都不包含“源节点地址”字段，即把“源节点地址”字段全部精简掉，只剩下“目的节点地址”和“下一跳节点”字段，如附图7所示；而路由所需要的源节点地址信息，则从包含路由信息的分组的头部的“目的节点地址”字段获得。
“完全精简源节点地址字段”新机制的主要操作如下：
(1)控制器在组装需下发的、包含有流表项的控制分组(以下简称“流表项控制分组”，器结果如所示)的过程中，如果目的节点地址有多个，则将这些目的节点地址按照流表项控制分组到达的先后顺序放在一起，形成目的地址序列；流表项控制分组在传送过程中，先到达位置在前的目的节点达。
(2)控制器在组装需下发的流表项控制分组的过程中，在组装流表项中的路由信息域时，按照分组头部的“目的节点地址序列”字段所包含的目的节点地址序列，用倒序的方式，把这些目的节点对应的基本路由表的内容，装载到路由信息域；具体地，目的节点地址序列里排在最后的目的节点对应的基本路由表的内容，放在路由信息域中最靠前的位置，以此类推，直至把目的节点地址序列里排在最前面的目的节点对应的基本路由表的内容，放在路由信息域中最靠后的位置；采用上述倒序装载方式的主要目的，是为了便于将已经经过的中间节点所对应的基本路由表，从流表项控制分组中删除，因为每次都是删除位于末尾的基本路由表，所以不需要调整剩余的基本路由表的位置。控制器在装载基本路由表的内容时，只装载“目的节点地址序列”和“下一跳节点地址序列”的内容，不装载“源地址序列”的内容。
(3)控制器将组装好的流表项控制分组发送给目的节点。
(4)如果一个目的节点收到控制器下发的流表项控制分组，则根据目的节点地址位置和基本路由表的对应关系，从该流表项控制分组中取出自己对应的基本路由表(通常是在基本路由表集合的尾部)，将该基本路由表“源节点地址”序列的内容恢复后加以保存；并且，将收到的流表项控制分组的目的节点地址序列中自己的地址、以及路由信息域中自己对应的基本路由表表删除。
2“自适应精简目的节点地址字段”新机制的基本思路和主要操作
“自适应精简目的节点地址字段”新机制的基本思路是：
控制器在通过下发流表项传送路由信息时，如果路由信息只包含1个基本路由表(如果全部路由信息仅含1条路由表项，也算作1个基本路由表)，则不精简目的节点地址序列；如果路由信息包含2个或2个以上的基本路由表，则保留第1个基本路由表的目的节点地址序列，把第2个及之后的基本路由表的目的节点地址序列精简掉，即在路由信息里不出现，如附图 9所示。第2个及之后的基本路由表的目的节点地址序列，在需要时基于流表项控制分组的目的节点地址和第1个基本路由表的目的节点地址序列，通过恢复操作获得。
“自适应精简目的节点地址字段”新机制的主要操作如下：
(1)控制器在组装需下发的流表项控制分组(流表项包含路由信息域)的过程中，判断路由信息包含的基本路由表的数量；如果只有1个基本路由表，则执行下一步；如果有2个或 2个以上的基本路由表，则转下文第(3)步。
(2)控制器将唯一的基本路由表的“目的节点地址”字段序列的内容装载到流表项控制分组的路由信息域的相应位置。然后转第(4)步。
(3)控制器将第1个基本路由表的“目的节点地址”字段序列的内容装载到流表项控制分组的路由信息域的相应位置；为了使目的节点便于恢复基本路由表，“目的节点地址”字段序列的前部按顺序装载流表项控制分组的目的节点地址序列，路由表项也做相同安排；然后，将“目的节点地址”字段序列的第一个字段删除，以进一步节省开销；该字段内容可以根据流表项控制分组的第一个目的地址来恢复；对于第2个及后续的基本路由表，在往流表项控制分组里装载时则只装载“下一跳节点地址”字段和“跳数”字段序列的内容，不装载“目的节点地址”字段序列的内容；并且，将指向第1个基本路由表的源节点的路由表项放在第2个位置 (按惯例对应路由表的第2行)。为了进一步节省控制开销，基本路由表没有装载指向源节点自身的路由表项。
(4)控制器将组装好的流表项控制分组发送给目的节点。
(5)如果一个收到上述流表项控制分组的节点是目的节点，则判断自己是否是唯一的目的节点；如果是，则从该控制分组的路由信息域取出基本路由表的内容，加以恢复使其变得完整，然后存储备用。如果不是唯一目的节点，则根据自己在目的节点地址序列中的位置，从该控制分组中路由信息域的相应位置取出自己对应的基本路由表的内容；然后，根据第1个基本路由表的目的节点地址序列，以及流表项控制分组的第1个目的节点地址，通过恢复操作获得自己的基本路由表的目的节点地址序列，然后存储备用。
3“完全精简控制器地址字段”新机制的基本思路和主要操作
“完全精简控制器地址字段”新机制的基本思路是：
由于网络中的节点能够预先获知控制器的地址，控制器的邻居节点能够自主生成指向控制器的路由表项(因为通过相邻关系能够确知：下一跳是控制器，跳数是1)，因此控制器在通过下发流表项控制分组传送路由信息时，不仅删除路由信息中装载控制器地址的字段(以下简称“控制器地址字段”)，而且如果目的节点有控制器邻居节点则删除其对应的基本路由表中指向控制器的路由表项，以便在不影响流表项控制分组和路由信息传送的前提下，尽可能压缩控制分组长度，减少控制开销。指向控制器的路由表项，可以安排在基本路由表中一些容易找到的位置，如第一条或最后一条路由表项，在本发明方案中推荐和默认使用第一条路由表项。
“完全精简控制器地址字段”新机制的主要操作如下：
(1)控制器在往流表项控制分组的路由信息域装载基本路由表时，把指向控制器的路由表项放在基本路由表的第1项；接着，在基本路由表的“目的节点地址”序列里，删除装载控制器地址的目的节点地址字段；并且，如果目的节点是控制器邻居节点则删除其对应的基本路由表中指向控制器的路由表项(该邻居节点对应的基本路由表是路由信息域的最后一个基本路由表)。
(2)控制器将组装好的流表项控制分组发送给目的节点。
(3)如果一个收到上述流表项控制分组的节点是目的节点，如果不是控制器的邻居节点，则取出“下一跳节点地址”序列里的第1个下一跳节点地址，将其作为通往控制器的下一跳节点地址，并据此完善指向控制器的路由表项；如果是控制器的邻居节点，则在基本路由表的起始位置创建指向控制器的路由表项：下一跳节点是控制器，跳数为1。
采用上述三种新机制进行精简后的基本路由表集合如附图10所示。
(二)本发明所提方法的主要操作
由于软件定义无人机自组网的节点可以移动，网络拓扑会动态变化，因此，控制器需要周期性地下发流表项以更新网络中普通节点的路由。相应地，本发明所提的“基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法”也会持续、循环地运行。
本发明所提的“基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法”的主要操作如下：
步骤1软件定义无人机自组网中的节点判断自己是否是控制器，如果是，执行下一步，如果不是，转步骤7。
步骤2在软件定义无人机自组网的运行过程中，控制器判断：是否需要向其它节点下发流表项？如果是，执行下一步；如果否，返回本步骤。
步骤3控制器根据流表项控制分组的最大长度、精简内容后的基本路由表的长度，判断：是否流表项控制分组能够装载多个精简内容后的基本路由表、并且有多个基本路由表需要传送？如果是，执行下一步；如果不是，转步骤5。
步骤4控制器先对多个目的节点地址按照流表项控制分组到达的顺序进行倒序排序，即后到达的目的节点的地址排前面，如果有跳数距离相同的，则节点地址小的目的节点排前面；接着，对需要装入流表项控制分组的多个基本路由表进行排序，顺序与目的节点地址的顺序相同；接下来，对所有基本路由表的路由表项进行排序，顺序为：控制器、与到达顺序相反的目的节点序列、其它节点序列；然后，对这些基本路由表进行精简，精简方法是：将每个基本路由表中指向源节点自身的路由表项删除；采用“完全精简源节点地址字段”新机制，删除所有基本路由表的“源节点地址”字段；采用“自适应精简目的节点地址字段”新机制，删除第2 个及其后的基本路由表的目的节点地址序列；采用“完全精简控制器地址字段”新机制，删除目的节点地址序列中装控制器地址的字段(默认是第一个字段)，如果流表项控制分组的目的节点是控制器的邻居节点，则删除其对应的基本路由表中指向控制器的路由表项；接下来，控制器将上述精简后的基本路由表集合(在该集合中，第1个基本路由表有n-1个目的节点地址字段、n个下一跳节点地址字段、n个跳数字段；最后1个基本路由表有n-1个下一跳节点地址字段、n-1个跳数字段；其余基本路由表有n个下一跳节点地址字段和n个跳数字段，如附图10所示)装入流表项控制分组的路由信息域。然后，转步骤6。
步骤5控制器先对要装入流表项控制分组的基本路由表的路由表项进行排序，顺序为：控制器、目的节点、其它节点；然后，对该基本路由表进行精简，精简方法是：将指向源节点自身的路由表项删除；采用“完全精简源节点地址字段”新机制，删除所有的“源节点地址”字段；采用“完全精简控制器地址字段”新机制，删除目的节点地址序列中装控制器地址的字段；如果目的节点是控制器的邻居则删除指向控制器的路由表项。然后，控制器将上述精简后的基本路由表装入流表项控制分组的路由信息域。
步骤6控制器在流表项控制分组的“类型”字段填上一个新的分组类型值以便与已有类型的分组相区别；接着，将该流表项控制分组发往目的节点；然后，返回步骤2。
步骤7当前节点判断：是否收到发给自己的流表项控制分组？如果是，执行下一步；如果否，返回本步骤。
步骤8当前节点判断：自己是否是唯一或排序第1的目的节点？如果是，执行下一步。如果不是，转步骤11。
步骤9当前节点(流表项控制分组的唯一或者排序第1的目的节点)从收到的流表项控制分组的路由信息域取出基本路由表的内容，加以恢复使其变得完整。
当前节点需要恢复的路由表是流表项控制分组中唯一或第1个基本路由表。恢复流表项控制分组中唯一或第1个基本路由表的方法如下：
(1)采用“完全精简控制器地址字段”新机制，在精简后的基本路由表的“目的节点地址”序列的第1个位置，添加控制器地址；如果当前节点是控制器邻居，则在“下一跳节点地址”序列的第1个位置添加控制器地址，在“跳数”序列的第1个位置添加一个值为“1”的字段。
(2)采用“完全精简源节点地址字段”新机制，为精简后的基本路由表的所有路由表项添加“源节点地址”序列，源节点地址为当前节点地址，有多少个表项就添加多少个“源节点地址”字段；“源节点地址”字段添加在每一个路由表项的首部。
(3)如果需要建立指向当前节点自己的路由表项，则在上述基本路由表的第2条路由表项位置，插入指向自己的路由表项：“源节点地址”、“目的节点地址”和“下一跳节点地址”三个字段都填入自己的地址，“跳数”字段的值设为0；如果不需要建立指向当前节点自己的路由表项，则不执行本步骤。
步骤10当前节点将上述恢复后的基本路由表存储备用；然后，返回步骤7。
步骤11当前节点(流表项控制分组的非唯一、且排序不为第1的目的节点)根据自己在目的节点地址序列中的位置，从流表项控制分组中路由信息域的相应位置取出自己对应的基本路由表的内容(按照流表项控制分组装载基本路由表的顺序，默认取最后一个基本路由表)；然后，根据第1个基本路由表的目的节点地址序列、流表项控制分组中第1个目的节点的地址，还有自己在目的节点地址序列中的位置，以及自己是否是控制器邻居(可以通过流表项控制分组经过的跳数来判断)，通过恢复操作获得自己的完整的基本路由表并存储备用。
当前节点需要恢复的路由表是流表项控制分组中第2个或其后的基本路由表。恢复流表项控制分组中第2个及其后的基本路由表的方法如下：
(1)采用“自适应精简目的节点地址字段”新机制，将第1个基本路由表的目的节点地址序列作为自己的基本路由表目的节点地址序列的主体；并且，将流表项控制分组中第1个目的节点的地址(即第1个基本路由表的源节点地址)放在该“目的节点地址”序列中的第1个位置。
(2)采用“完全精简控制器地址字段”新机制，在上述“目的节点地址”序列的第1个位置，即流表项控制分组中第1个目的节点地址之前，添加控制器地址；如果当前节点是控制器的邻居，则在上述基本路由表的起始位置添加指向控制器的路由表项：下一跳节点为控制器，跳数为1。
(3)按照自己在流表项控制分组目的节点序列中的位置(假如序号为k)，将“下一跳地址”序列和“跳数”序列中相同位置(序号同样为k)的字段空出，其后字段的内容依次后移；因为为了进一步节省开销，指向自己的路由表项没有装载。
(4)采用“完全精简源节点地址字段”新机制，为上述基本路由表的所有路由表项添加“源节点地址”序列，源节点地址为当前节点地址，有多少个表项就添加多少个“源节点地址”字段；如果网络中有n+1个节点，路由表项会有n+1个，则需要添加n+1个“源节点地址”字段；“源节点地址”字段添加在每一个路由表项的首部。
(5)当前节点如果需要建立指向自身的路由表项，则在上述基本路由表中指向自己的路由表项的“下一跳节点地址”字段填入自己的地址、“跳数”字段填入“0”；如果不需要建立指向当前节点自己的路由表项，则不执行本步骤。
步骤12当前节点将上述恢复后的基本路由表存储备用。
步骤13当前节点判断自己是否是最后收到流表项控制分组的目的节点；如果不是，则将流表项控制分组目的节点序列里的装载自己地址的字段(位于目的节点序列的最后位置)删除，并且删除路由信息域里自己对应的基本路由表(位于基本路由表序列里最后位置)；接着，转发该流表项控制分组，如果需要在不同路径转发就根据路径分离目的节点并在这些路径上分别转发；然后，返回步骤7；如果是最后收到流表项控制分组的目的节点，直接返回步骤7。
(三)本发明所提方法的有益效果
本发明所提“基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法”的有益效果主要是：与现有的、无论是单播还是组播的软件定义无人机自组网路由信息传送方法相比，显著减少了控制器下发的流表项中的路由信息，缩短了流表项控制分组的长度，从而降低了路由信息传送方法的控制开销，提高了路由信息传送方法的效率，增加了软件定义无人机自组网的可用带宽，有利于提高软件定义无人机自组网的网络吞吐量和数据分组平均端到端时延等性能。
本发明所提方法的上述的有益效果来自于其包含的“完全精简源节点地址字段”、“自适应精简目的节点地址字段”和“完全精简控制器地址字段”三种新机制。下文通过理论分析来证明和量化显示本发明所提“基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法”的有益效果。
设：一个软件定义无人机自组网包含1个控制器、N(N≥1)个普通节点；一个流表项控制分组中路由信息域的最大长度为Lmax；在路由表项和控制分组中，节点地址的位数均为Abits，路由表项中“跳数”字段的长度为Hbits；流表项控制分组除去源节点地址字段、目的节点地址字段和路由信息域之后的长度为Pbits。
下面计算和比较：控制器将路由信息传送给所有普通节点一次，采用单播基本路由表项(以下简称“方法1”)、组播基本路由表(以下简称“方法2”)和本发明所提“基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法”(以下简称“新方法”)三种不同方法的控制开销。
(1)方法1的控制开销
在方法1中，每个流表项控制分组装载1个基本路由表项，发给1个普通节点；对于网络中的N个普通节点，每个普通节点都需要建立指向控制器和其它N-1个节点的路由表项，共有 N条路由表项，因此控制器需要为每个普通节点发送N个流表项控制分组；每个流表项控制分组的路由信息域装载一个基本路由表项，一个基本路由表项包含源节点地址、目的节点地址、下一跳节点地址、跳数共4个字段；控制器将路由信息传送给所有普通节点一次所产生的控制开销为：
C1＝N*N*(P+2*A+3*A+H) (1)
稍作变形和化简，有：
C1＝(P+A)N2+AN2+(3A+H)N2 (2)
上式中右边求和式的第1部分P11是不含目的节点地址字段和路由信息域的流表项控制分组的开销，第2部分P12是流表项控制分组的目的节点地址字段的开销，第3部分P13是路由信息的开销。
(2)方法2的控制开销
在方法2中，根据流表项控制分组路由信息域的最大长度和基本路由表的大小，每个流表项控制分组可能装载1个基本路由表的部分内容，也可能装载1个或多个基本路由表，发给1 个或多个普通节点。控制器将路由信息传送给所有普通节点一次所产生的控制开销为：
Figure BDA0003610813860000121
其中运算符号
Figure BDA0003610813860000122
表示向上取整。
稍作变形和化简，有：
Figure BDA0003610813860000123
上式中右边求和式的第1部分P21是不含目的节点地址字段和路由信息域的流表项控制分组的开销，第2部分P22是流表项控制分组的目的节点地址字段的开销，第3部分P23是路由信息的开销。
(3)新方法的控制开销
在新方法中，根据流表项控制分组路由信息域的最大长度和精简后基本路由表的大小，每个流表项控制分组可能装载1个精简后的基本路由表的部分内容，也可能装载1个或多个精简后的基本路由表，发给1个或多个普通节点。为了便于计算，假设在路由信息域的基本路由表中有目的节点地址序列；由于采用新方法后从排序第2开始的基本路由表的目的节点地址序列会被删除，因此新方法的控制开销C新实际上会小于或等于下式计算出的控制开销C3。采用新方法时，控制器将路由信息传送给所有普通节点一次所产生的控制开销为：
Figure BDA0003610813860000131
稍作变形和化简，有：
Figure BDA0003610813860000132
上式中右边求和式的第1部分P31是不含目的节点地址字段和路由信息域的流表项控制分组的开销，第2部分P32是流表项控制分组的目的节点地址字段的开销，第3部分P33是路由信息的开销。
(4)比较上述3种方法的控制开销
根据软件定义无人机自组网的条件，流表项控制分组不会装不下一条基本的路由表项，于是有：
(2A+H)<(3A+H)≤Lmax (7)
Figure BDA0003610813860000133
即：
P31<P21≤P11 (9)
又因为
A(N-1)<AN≤AN2 (10)
∴P32<P22≤P12 (11)
另外，有
(2A+H)N2<(3A+H)N2 (12)
∴P33<P23 (13)
∴P33<P13 (14) 综合式(9)、(11)、(13)、(14)，可得：
C3<C2≤C1 (15)
于是有：
C新<C2≤C1 (16)
即从理论上可以得到：与现有的典型相关路由信息传送方法相比，本发明所提新方法能够降低控制开销。
附图说明
附图1为无人机应用场景示意图。
无人机应用在环境监测、中继网络、交通农业管理和灾害救援等领域。
附图2为无人机自组网多跳场景示意图。
图中带有方框的无人机节点是逻辑中心节点——控制器，其余为普通节点，网络跳数为多跳。
附图3为SDN架构示意图。
SDN架构主要分3层，分别是应用层、控制层与转发层。
附图4为一条基本的路由表项示意图。
一条基本的路由表项包含源节点地址、目的节点地址和下一跳节点地址字段。
附图5为基本路由表示意图。
一个基本路由表包含1个或多个基本路由表项。
附图6为基本路由表集合示意图。
一个基本路由表集合包含1个或多个基本路由表。
附图7为完全精简了“源节点地址”字段的基本路由表项(a)、基本路由表(b)和基本路由表集合(c)。
附图8为流表项控制分组结构示意图。
附图9为自适应精简了源节点地址字段序列和目的节点地址字段序列的基本路由表。
附图10为采用三种新机制进行精简后的基本路由表集合。
虚线白底框表示被删掉的字段；第1个基本路由表有n-1个目的节点地址字段、n个下一跳节点地址字段、n个跳数字段；最后1个基本路由表有n-1个下一跳节点地址字段、n-1个跳数字段；其余基本路由表有n个下一跳节点地址字段和n个跳数字段。
附图11为本发明所提方法的基本操作流程。
节点通过判断自己的类型分为两条操作路径。
具体实施方式
本发明所提基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法，适用于软件定义无人机自组网，也适用于其它具有相似特征的无线网络。
在一个具有1个控制器、N(N≥1)个普通节点的软件定义无人机自组网中，假设：一个流表项控制分组能够装载m个精简内容后的基本路由表，分组“类型”字段的长度为4bits；则本发明所提方法的一种典型的具体实施方式按照持续循环的模式运行，具体步骤如下：
步骤1软件定义无人机自组网中的节点判断自己是否是控制器，如果是，执行下一步，如果不是，转步骤7。
步骤2在软件定义无人机自组网的运行过程中，控制器判断：是否需要向其它节点下发流表项？如果是，执行下一步；如果否，返回本步骤。
步骤3控制器根据流表项控制分组的最大长度、精简内容后的基本路由表的长度，判断：是否流表项控制分组能够装载多个精简内容后的基本路由表并且有多个基本路由表需要传送？如果是，执行下一步；如果不是，转步骤5。
步骤4控制器先对m个目的节点地址按照流表项控制分组到达的顺序进行倒序排序，即后到达的目的节点的地址排前面，如果有跳数距离相同的，则节点地址小的目的节点排前面；接着，对需要装入流表项控制分组的m个基本路由表里的n+1个路由表项进行排序，顺序为：控制器、与到达顺序相反的目的节点序列、其它节点序列；然后，对这m个基本路由表进行精简，精简方法是：采用“完全精简源节点地址字段”新机制，删除所有的“源节点地址”字段；采用“自适应精简目的节点地址字段”新机制，删除第2个及其后的m-2个基本路由表的目的节点地址序列，并且删除唯一保留的、第一个目的节点地址字段序列里的第2个字段(该字段装载流表项控制分组目的节点序列的第一个节点的地址，也是流表项控制分组最后到达的目的节点的地址)；采用“完全精简控制器地址字段”新机制，删除目的节点地址序列中装控制器地址的字段，如果目的节点是控制器的邻居节点则删除其对应的基本路由表中指向控制器的路由表项，并且将每个基本路由表中指向源节点自身的路由表项删除。接下来，控制器将上述精简后的基本路由表集合装入流表项控制分组的路由信息域。然后，转步骤6。
步骤5控制器对要装入流表项控制分组的基本路由表进行精简，精简方法是：采用“完全精简源节点地址字段”新机制，删除所有的“源节点地址”字段；采用“完全精简控制器地址字段”新机制，删除目的节点地址序列中装控制器地址的字段；如果目的节点是控制器的邻居则删除指向控制器的路由表项，如果不是则将指向控制器的路由表项放入基本路由表的第1 行；并且将基本路由表中指向源节点自身的路由表项删除。然后，控制器将上述精简后的基本路由表装入流表项控制分组的路由信息域。
步骤6控制器在流表项控制分组的“类型”字段填上一个新的分组类型值以便与已有类型的分组相区别，新分组类型值建议为“0D”(十进制的“14”)；接着，将该流表项控制分组发往目的节点；然后，返回步骤2。
步骤7当前节点判断：是否收到发给自己的流表项控制分组？如果是，执行下一步；如果不是，转步骤11。
步骤8当前判断：自己是否是唯一或排序第1的目的节点？如果是，执行下一步；如果不是，转步骤11。
步骤9当前节点(流表项控制分组的唯一或者排序第1的目的节点)从收到的流表项控制分组的路由信息域取出基本路由表的内容，加以恢复使其变得完整；恢复后的完整的基本路由表，应该有N+1条各包含4个字段的、指向网络中所有节点的路由表项。
步骤10当前节点将上述恢复后的基本路由表存储备用；然后，返回步骤7。
步骤11当前节点(流表项控制分组的非唯一、且排序不为第1的目的节点)根据自己在目的节点地址序列中的位置，从流表项控制分组中路由信息域的相应位置取出自己对应的基本路由表的内容；然后，根据第1个基本路由表的目的节点地址序列、流表项控制分组中第1个目的节点的地址，还有自己在目的节点地址序列中的位置，以及自己是否是控制器邻居(通过流表项控制分组经过的跳数来判断)，通过恢复操作获得自己的基本路由表；恢复后的完整的基本路由表，应该有N+1条各包含4个字段的、指向网络中所有节点的路由表项。
步骤12当前节点将上述恢复后的基本路由表存储备用；然后，返回步骤7。
步骤13当前节点如果不是最后收到流表项控制分组的目的节点，则将流表项控制分组目的节点序列里的装载自己地址的字段删除，并且删除路由信息域里自己对应的基本路由表(位于基本路由表序列里最后位置)；接着，转发该流表项控制分组；然后，返回步骤7；如果是最后收到流表项控制分组的目的节点，直接返回步骤7。

Claims (1)

1.基于组播的软件定义无人机自组网路由信息高效传送方法，其特征是：采用“完全精简源节点地址字段”、“自适应精简目的节点地址字段”和“完全精简控制器地址字段”三种新机制，删除了不必要的源节点地址字段和控制器地址字段，并且自适应地删除了冗余的目的节点地址字段；由控制器下发流表项过程中控制器和普通节点的操作组成，具体如下：
S1：软件定义无人机自组网中的节点判断自己是否是控制器，如果是，执行下一步，如果不是，转S7；
S2：控制器判断：是否需要向其它节点下发流表项？如果是，执行下一步；如果否，返回本步骤；
S3：控制器根据流表项控制分组的最大长度、精简内容后的基本路由表的长度，判断：是否流表项控制分组能够装载多个精简内容后的基本路由表并且有多个基本路由表需要传送？如果是，执行下一步；如果不是，转S5；
S4：控制器先对多个目的节点地址按照流表项控制分组到达的顺序进行倒序排序，即后到达的目的节点的地址排前面，如果有跳数距离相同的，则节点地址小的目的节点排前面；接着，对需要装入流表项控制分组的多个基本路由表进行排序，顺序与目的节点地址的顺序相同；接下来，对所有基本路由表的路由表项进行排序，顺序为：控制器、与到达顺序相反的目的节点序列、其它节点序列；然后，对这些基本路由表进行精简，精简方法是：将每个基本路由表中指向源节点自身的路由表项去掉；采用“完全精简源节点地址字段”新机制，去掉所有基本路由表的“源节点地址”字段；采用“自适应精简目的节点地址字段”新机制，去掉第2个及其后的基本路由表的目的节点地址序列；采用“完全精简控制器地址字段”新机制，去掉目的节点地址序列中装控制器地址的字段，如果流表项控制分组的目的节点是控制器的邻居节点，则去掉其对应的基本路由表中指向控制器的路由表项；接下来，控制器将上述精简后的基本路由表集合装入流表项控制分组的路由信息域；然后，转S6；
S5：控制器先对要装入流表项控制分组的基本路由表的路由表项进行排序，顺序为：控制器、目的节点、其它节点；然后，对该基本路由表进行精简，精简方法是：将指向源节点自身的路由表项删除；采用“完全精简源节点地址字段”新机制，删除所有的“源节点地址”字段；采用“完全精简控制器地址字段”新机制，删除目的节点地址序列中装控制器地址的字段；如果目的节点是控制器的邻居则删除指向控制器的路由表项；然后，控制器将上述精简后的基本路由表装入流表项控制分组的路由信息域；
S6：控制器在流表项控制分组的“类型”字段填上一个新的分组类型值，推荐值为十进制的“14”，以便与已有类型的分组相区别；接着，将该流表项控制分组发往目的节点；然后，返回S2；
S7：当前节点判断：是否收到发给自己的流表项控制分组？如果是，执行下一步；如果否，返回本步骤；
S8：当前节点判断：自己是否是唯一或排序第1的目的节点？如果是，执行下一步；如果不是，转S11；
S9：当前节点从收到的流表项控制分组的路由信息域取出基本路由表的内容，执行下述操作使其恢复完整：
S9-1：采用“完全精简控制器地址字段”新机制，在精简后的基本路由表的“目的节点地址”序列的第1个位置，添加控制器地址；如果当前节点是控制器邻居，则在“下一跳节点地址”序列的第1个位置添加控制器地址，在“跳数”序列的第1个位置添加一个值为“1”的字段；
S9-2：采用“完全精简源节点地址字段”新机制，为精简后的基本路由表的所有路由表项添加“源节点地址”序列，源节点地址为当前节点地址，“源节点地址”字段添加在每一个路由表项的首部；
S9-3：当前节点如果需要建立指向自身的路由表项，则在上述基本路由表的第2条路由表项位置，插入指向自己的路由表项：“源节点地址”、“目的节点地址”和“下一跳节点地址”三个字段都填入自己的地址，“跳数”字段的值设为0；
S10：当前节点将上述恢复后的基本路由表存储备用；然后判断自己是否是唯一的目的节点；如果是，返回S7；如果不是，转S13；
S11：当前节点根据自己在目的节点地址序列中的位置，从流表项控制分组中路由信息域的相应位置取出自己对应的基本路由表的内容；然后，根据第1个基本路由表的目的节点地址序列、流表项控制分组中第1个目的节点的地址，还有自己在目的节点地址序列中的位置，以及自己是否是控制器邻居，执行下述操作来将自己的基本路由表恢复完整：
S11-1：采用“自适应精简目的节点地址字段”新机制，将第1个基本路由表的目的节点地址序列作为自己的基本路由表目的节点地址序列的主体；并且，将流表项控制分组中第1个目的节点地址放在该“目的节点地址”序列中的第1个位置；
S11-2：采用“完全精简控制器地址字段”新机制，在上述“目的节点地址”序列的第1个位置，即流表项控制分组中第1个目的节点地址之前，添加控制器地址；如果当前节点是控制器的邻居，则在上述基本路由表的起始位置添加指向控制器的路由表项：下一跳节点为控制器，跳数为1；
S11-3：按照自己在流表项控制分组目的节点序列中的位置，将“下一跳地址”序列和“跳数”序列中相同位置的字段空出，其后字段的内容依次后移；
S11-4：采用“完全精简源节点地址字段”新机制，为上述基本路由表的所有路由表项添加“源节点地址”序列，源节点地址为当前节点地址，“源节点地址”字段添加在每一个路由表项的首部；
S11-5：当前节点如果需要建立指向自身的路由表项，则在上述基本路由表中指向自己的路由表项的“下一跳节点地址”字段填入自己的地址、“跳数”字段填入“0”；
S12：当前节点将上述恢复后的基本路由表存储备用；
S13：当前节点判断：自己是否是最后收到流表项控制分组的目的节点？如果是，返回S7；如果不是，则将流表项控制分组目的节点序列里装载自己地址的字段删除，并且删除路由信息域里自己对应的基本路由表；接着，转发该流表项控制分组，如果需要在不同路径转发就根据路径分离目的节点并在这些路径上分别转发；然后，返回S7。
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