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（辽宁警官高等专科学校,辽宁 大连 116036）
摘 要：软件定义网络是一种新型网络创新架构,其核心技术OpenFlow通过将网络设备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,为核心网络及应用的创新提供了良好的平台.软件定义网络能够改变现有的数据发送规则,由转发设备决定的僵硬模式能够显著提高数据发送的服务质量.目前软件定义网络的无线网络条件下应用的研究还处于起步阶段,本文分析了无线网络中实现软件定义网络可能遇到的困难与机遇.
关键词：软件定义网络；无线网络；无线软件定义网络
中图分类号：TP393.0 文献标识码：A
The Expectation of the Research of the Wireless Software Defined Networks
WANG Kun,QI Guangyuan,SUN Jiajun
(Liaoning Police Academy,Dalian 116036,China)
Abstract:Software defined network(SDN) is a latest network norm.The OpenFlow is its core technology.The basic idea of OpenFlow is to separate the forward rule from the date tran论文范文ission devices,and achieve the goal of controlling the network data flow flexible.The SDN offer a good platform to the innovation of network applications,and will improve the Qos of data tran论文范文ission.Currently research of the usage of SDN in the wireless networks(wireless software defined networks)is just at the beginning, and this article focuses on the challenge and opportunity of wireless software defined networks.
Keywords:software defined networks,wireless networks,wireless software defined networks
1. 引言(Introduction)
现今我们的社会通过互联网紧密的联系在一起.到2011年底,大约有1/3的人连接到了互联网上,并且互联网上传输的数据总量相比于前10年上涨了大约40%到100%.人们向云服务器上上传越来越大的数据资料,新的网络应用产生了越来越大的多媒体内容数据,人们通过固定的或者移动的终端设备在互联网上传输越来越多的数据信息.
随着电子通信技术的发展,使用互联网传输大容量信息变成了可能.在有线网络中,人们往往通过增加新的链路和新的网络设备来增加网络的容量.这种单纯的增加网络覆盖面积的扩张方式会附带一定的开销,比如需要铺设新的通信电缆.而且这种增加面积的方式也存在它的局限性,因为伴随着新的设备和链路的加入,网络的复杂度也会增加,那么维护它的开销在计算复杂度和时间复杂度上也会随之增加.在无线网络中网络传输容量的突破变得更加困难.使用无线网络的用户经常会感受到数据的传输限制、服务的稳定性限制,以及应用的可用性不稳定等问题.对于给定的通信技术,无线信道的带宽是一种有限的资源,并且是由国家统一规范管理的,所以无线网络技术的服务质量通常要比有线网络对等技术降低了一个水平.总体来说目前带宽的利用效率还是不充分.虽然软件定义无线电(可认知无线电)可以允许IP数据流有机会使用未被分配的空白带宽或者是已经被分配给其他技术应用的带宽来传输,但是信道的合法拥有者却拥有信道的绝对控制权,当拥有者要发送数据的时候,利用认知无线电技术的二级数据流就会被暂时释放掉,这样导致这些数据包对应的应用程序效果非常不稳定.虽然某些技术对于已分配频谱的利用率还是很高的,例如LTE技术对于信道的利用率已经接近香浓定理极限的80%.但是信道在实际使用的时候经常被同时分配给多个用户同时分享,而我们不能保证每个用户在使用信道资源时都可以将信道的利用率达到极限值,因此分配给每个用户的个人信道利用容量还是有提升空间的.通常情况下这些需要通过优化网络信道分配方案或者是缩小每个传输单元的信号影响半径来减少用户彼此间的信号干扰来实现.然而这些技术在多个接入节点分享同一个无线信道的情况下就不再发挥作用了.相邻接入节点之间缺乏协调、同步限制着优化的可能性,因为不同的接入节点仅仅是根据它的管理节点传输的局部信息来选择它自身的配置参数；或者乐观地说与相近的接入节点交流,但是终端设备遭受超出传输范围外的接入节点发送的互斥的数据包的冲突问题仍然没有被解决.
软件定义网络(SDN)建议在IP网络中将数据转发的控制面从数据转发平面分离出来.它依靠分离出来的由软件实现的控制实体来实现对网络的控制.这个控制实体通过从一系列网络设备上收集到的链路信息来掌控网络全局的状态,以此为根据协调接入节点,为它们配置网络参数,划分数据转发路径.从优化节点的表现方面来看,这个控制器节点在多接入节点网络中是对各接入节点进行参数设定的最佳选择.
本文在简单介绍了软件定义网络和其代表性技术OpenFlow后,列举了软件定义网络在无线网络版本应用过程中遇到的挑战.然后再介绍一下软件定义网络在无线网络场景下解决传统问题的优势和机遇.
2. 软件定义网络和OpenFlow(Software defined
networks and OpenFlow)
通常情况下,软件定义网络被定义为控制面和转发面解耦合的网络,这意味着交互链路中对于帧的转发规则的任意的设定.比如数据通路可以由远程的中心控制实体决定或者是一组这样的控制实体共同决定,而不是现在的分布式算法.如图1所示,自底向上软件定义网络体系架构分为基础设施层、控制层和应用层三层.其中,控制层中控制软件与基础设施中的交换/路由等网络设备经由控制数据面接口(也被称为南向接口)交互,与应用层各种应用程序经由开放API(也被称为北向接口)交互.网络基础设施充当原交换/路由设计中的转发面角色,也被称为OpenFlow交换.在2008年,一份著名的白皮书[1]介绍了OpenFlow,它是软件定义网络的以太网实现.OpenFlow依靠一组互连设备、交换机和路由器.这些设备仅仅是预留带宽来将到达的数据包划分成数据流,然后以数据流为单位进行转发.一个数据流在OpenFlow中由12个不同的字段来定义,包括标准的以太网帧头/IP头/UDP数据报头(第二层和第三层地址,虚拟局域网的信息以及端口号等).流的确定、转发策略都是由一个叫做控制器的中心控制实体决定的.每个控制器在理论上可以控制无限多的网络设备,而且多个控制器可以共同分享同一个网络设备的控制权.这组控制器为网络编程形成了一个可运行的环境,一个网络操作系统(NOS)[2].最著名的开源控制器实现是NOX,它是由开发OpenFlow的团队开发的,用来为通过OpenFlow的API编程和控制交换提供一个平台.现在它被一个基于Python的改进版本POX取代了.
当一个数据包进入了一个交换机,交换机会试图将这个数据包划分到现存的数据流中,通过将该数据包的12个字段的元组与现存的数据流的元组进行匹配.如果匹配成功,交换机就运行这个匹配成功的数据流对应的操作.如果失败,交换机会将这个数据包发送给控制器,由控制器基于客户端策略来决定处理这个包的策略[3].测算了处理一个数据包的时间需要220纳秒到245纳秒[4].展示了在数据转发的平面,相对于传统路,由OpenFlow的引入对于传统的64字节的小数据包在延时和吞吐量方面带来了下降11%的表现,然而这个效果在传输更大的数据包上几乎是可以忽视的.
因为数据传输的转发粒度不再是数据包(而是数据流),为额外论文范文的客户的数据流提供的更好的传输优先级变得简单了,与此同时普通的用户的数据流将会在队列中等待,即使这些用户的数据流属于同一种服务,并且流向同一个目的节点.而且被管理的设备规则地向控制器发送它们的状态以及它们感知的网络状态.得到这些信息后,控制器可以得到网络的全局视图,即使这个网络跨越了多个局域网.控制器可以根据网络的实际状态的动态更新数据转发策略.一些流标号可以被选作实验用标号,这些实验标号就可以划分出一个分离的、虚拟的网络,在这个网络上数据不会被正常网络的流量数据干扰.这种将数据流空间划分成不同的子流空间的能力叫做切片,是通过在物理层和控制层之间加入了一种应用程序来实现的,这种应用程序叫做Flowvisor.Flowvisor给所有控制器一种它们正在控制一个专用网络的错觉.每个切片上运行的控制器都仿佛运行在一个专用的网络上,所以切片技术是对同一个物理基础设施(数据转发面)的一种多路复用技术.
软件定义网络和OpenFlow是根据网络基础设施设计的,更多的情况下是面向有线网络设计的,而在无线网络中实现软件定义网络会更加困难.例如当前多数的无线软件定义网络的实现仅仅在切片使用不同的信道的时候能够正常的工作,而在同一个信道下进行切片是非常困难的.作为Stanford的OpenRoads项目的一部分,Yap等人[1]确认了在同一个Wifi信道上进行分片是非常困难的.
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3. 无线软件定义网络的挑战(The challenge of
wireless software defined networks)
实现软件定义网络至少需要能够定义切片以及隔离这些切片,而且还要求网络设备能够测量,并向控制器报告它们的状态,这些要求在使用无线传输介质的条件下都是难以实现的.下面我们分两个方面来介绍无线软件定义网络的实现困难.
3.1 切片和信道隔离
实现切片要求至少能够隔离信道,这样Flowvisor可以向不同的控制器提供一个无干扰的网络.在有线网络中可以通过预留来实现信道隔离,比如在光纤中使用不同波长的传输信号.假设无线网络中的Flowvisor必须划分n个不同的切片.最简单的信道隔离方法,就使用n个不同的相互隔离的无线信道.然而即使这样仍然可能遇到规划的问题,因为相邻的信道是互相干扰的.因此在大型网络中Flowvisor必须掌握整个区域的视野,以便从地理空间上规划信道的重用.而想要分出比隔离信道数量更多的切片在理论上是可以实现的,但却可能遇到其他的困难.例如使用时分复用技术,需要良好的协调临近接入节点,以及精密的时间同步装置防止时隙的重叠.频分复用需要在相邻的频道信道之间预留一个保护间隔,当子信道增多的时候这个保护间隔会浪费带宽资源.随机访问协议可以在统计学上为所有的用户提供相同的吞吐量,但是在多个信号发射器的场景,如果没有精细的中心控制装置,访问的公平性是不可能保证的.综上所述,在无线网络环境下实现切片是非常困难的.
3.2 监控及状态报告
软件定义网络要求网络实体能够报告它们的状态,而这种报告机制是软件定义网络中的核心功能模块,它是以保证控制器能够实时做出决定为前提.除了传统的诸如CPU负载、可用内存等信息,在无线网络中网络环境评估标准还侧重于两个重要的方面：一是各无线信道的质量描述参数(延迟、丢包率、稳定性等)；二是拓扑信息(包括临近接入节点的相互认知、负载情况等).CAPWAP[5]协议侧重于获取无线服务提供者和接入节点之间的交论文范文息.在网络协议栈的第二层,IEEE的802.11v扩展版本已经在2011年被引入到了标准规范中,其中就包含了一些考虑到信道质量测量和拓扑动态发现的细节措施.
信道的质量是非常难以测量的,因为无线信道的状态是频繁变化的,特别是在室内场景中.在室内场景中信号的衰减、屏蔽、多路径等因素都影响着信道质量.信道的状态可以被临近的接入节点的数据传输影响,也可以被一些细小的事件影响,例如人的走动、房门的关闭等.不是所有的信道变化都与网络管理相关,一些瞬时的信道变化可以通过多相滤波来进行平滑处理.但是这种滤波处理必须要对信道进行恰当的调整.如果滤波过少不能消除信道波动,会造成状态迁移；而过多的滤波会将其他常规的环境变化的探查延迟或者隐藏.
由于传输的质量会被拥塞问题和干扰问题严重的影响,因此确认一个节点周边的拓扑以及周围节点的负载情况是必要的.访问节点可以标识邻居节点,记录它们的传输信道以及传输的能量强度等.获取一跳邻居的信息相对而言是容易的,可以通过传统的beacon包实现.然而干扰却有可能发生在传输范围之外.而多跳的拓扑发现机制多数情况下是通过广播hello包来实现的.其中hello包中往往包含发送者一跳节点的描述,通过hello包节点可以获取2跳邻居的信息.在一个接入节点的网络中,由于网络的密度有可能过于稀疏,所以不能通过hello包探查到所有的传输干扰者.所以有的时候要靠终端设备来帮助探查网络状况,而将链路特征和质量评估等功能模块添加到拓扑发现中会使问题更加复杂.
4. 无线软件定义网络的机遇(The opportunity of
wireless software defined networks)
软件定义网络在有线网络中已经获得了大量的支持,无数的案例都表明它带来的灵活性是无数有创意的应用变成了可能,而这些在无线网络领域中也同样存在.
4.1 交接
人们身边不乏各种无线接入信号,许多移动设备支持的接入技术也有多种选择,如WiFi、WiMax、3G/4G等,但是在信号较弱或者人群拥挤的地方,依然经常出现断连、传输错误或信道资源不足的现象.由于上述无线网络接入技术在实际部署环境中都是独立工作的,用户设备支持的多种无线链路也是分离的.若能借鉴软件定义网络对数据转发行为的集中控制,使得数据能够在多条不同的链路通道中实时交接,那对于丰富各种应用的信道数量和带宽资源是非常有益的.参考文献[1]、参考文献[6]和参考文献[7]对支持WiFi和WiMax的无线环境中的无线链路实时切换技术进行了研究,其研究结果表明使用OpenFlow可以实现移动设备在多种不同无线链路之间的无缝切换,同时在单个传输通道信号不足或出现较为严重的丢包情况下,可以通过多条相同链路实现对单条流数据的复制传输,以提升无线链路的数据传输能力.在其实时多播和单播视频演示中,用户观看视频的流畅性和清晰度得到提升,用户得到的无线服务的质量也得到提升.
4.2 提高终端用户的连通性和服务质量
无线技术的用户经常会遭遇服务质量的不可预测性问题,比如他们位于接入节点服务提供者覆盖的极限位置,或者由于他们选择的信道已经超负载了.此时存在一个更好的接入节点,距离、负载适中,但是却属于另一个服务提供者.在使用了软件定义网络的网络中,一个区域内的多个控制器可以通过彼此交流来交换足够的信息,来保证用户可以连接周边任意的一个接入点,不用考虑这个接入点的信道是属于哪个服务提供者的.访问节点收到了一个源地址是其他控制器网络的数据包可以用一条规则将这个包转发到自己的网络中.服务提供者间的合作就可以大大提高用户的服务质量.而且,控制器可以被设置在任意的地理区域,收集各个接入节点的信道利用情况统计,比如用户发送信道的负载情况,用户可以选择在哪个接入点上网,甚至为应用程序选择无线接口.多数情况下移动终端都装备了多种无线接口,比如Wifi、3G或者蓝牙,它们各自有各自的特点,有的稳定性好,有的延迟低,有的吞吐量高,有的覆盖面积大.如果没有精确的统计数据,移动终端要经历一个非常困难的时期来自动的选择这些技术中的一种作为网络接口.在软件定义网络的帮助下,终端节点可以使用多个控制器收集的精确统计数据来为每个应用程序选择合适的技术.
4.3 干扰控制
网络本身也可以从软件定义网络技术中获益,特别运行在拥挤信道上的网络.比如使用WiFi的网络,在2.4GHz只有三个不重叠的信道；另外在密集的城市区域,在某个地方发现十多个3G网络的情况也是很常见的,而这些网络会彼此产生干扰.软件定义网络允许设立空间专属的控制器,它的作用超越一般的服务提供者,能根据感知到的相互干扰水平,向参与接入节点推荐要选择的发射能量和信道选择方案.能量控制可以帮助减少干扰,因为它把用户归属到最近的接入节点,从而减少了二者通信的能量强度.空闲接入点越多,这个措施就越有效.而软件定义网络将属于不同网络服务提供商的服务提供者整合在一个虚拟的网络上的能力能够更好的发挥这个措施的优势.我们来考虑这样一个场景,假如一组接入节点分布在一个区域上,软件定义网络能够使得每个接入节点通过beacon包来很容易的确认邻居接入点在不同传输能量水平上的可达性.所有收到beacon包的接入节点可以将beacon包转发给区域控制器,区域控制器可以将beacon包中的信息与发射器的传输能量关联起来.当所有可能的传输能量都被测试以后,控制器可以构建本地的所有可能的干扰图,然后选择覆盖范围大而干扰小的方案.
4.4 安全方面
在无线和有线网络中,软件定义网络的监控能力可以向一个实体提供一个清晰的网络视图,这个实体负责管理和探查入侵和异常行为.网络负载和每个协议的数据包分布可以与统计数据进行比较.同时可以验证当前的数据流是否与当前的日期和时间的预设数值匹配,如果出现异常情形可能暗示入侵的存在.在无线网络中,探查诸如未授权访问的攻击需要不同接入节点的协作,而软件定义网络的监控和控制能力有利于协作的实现.同样在mesh网络和合作网络中,共享状态信息有利于探测论文范文行为和自私用户,而控制器可以通过修改规则对这些行为采取措施.
4.5 定位服务
用户的定位服务以某些地理信息为前提的服务程序来说是核心功能.当前已经有诸多定位算法为移动终端提供了足够高精确度的定位服务.然而当GPS不可用的场景下,这些算法就不能继续为终端提供定位服务了.而此时我们可以利用软件定义网络的控制器了解网络全局信息这一特性来解决定位问题.只要当前的移动终端接入到网络,那么控制器就可以根据终端的IP地址等信息比对控制器已存储的网络全局信息数据库,比对的结果就可以为终端提供粗糙的定位服务.
5. 结论(Conclusion)
本文主要讨论了软件定义网络在无线网络中使用时遇到的挑战、问题和机遇.比如我们列举了包括信道划分、分片、定位、安全等方面的应用和挑战.使用软件定义网络能够解决这些问题,进而提高无线用户的服务水平,甚至为用户提供新的基于软件定义网络的应用,为用户提供更好的服务.然而使用无线软件定义网络也会带来一些问题,虽然这些问题不是技术性的问题.比如让不同的网络服务提供者互相交换网络信息从商业的角度来说是不容易实现的.而从用户的角度来看,软件定义网络能够在不同提供者之间漫游,给用户带来了严重的隐私问题.在漫游模式下,即使没有与用户签订合约,服务者可以获取关于用户的位置以及流量内容.这些问题相信在不久的将来会得到妥善的解决.
参考文献(References)
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[3] Jarschel M,et al.Modeling and performance evaluation of an openflow architecture[C].Proceedings of the 23rd international teletraffic congress.International Teletraffic Congress,2011:1-7.
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[5] Calhoun P,Montemurro M,Stanley D.Control and provisioning of wireless access points(CAPWAP)protocol binding for IEEE 802.11[J].IETF RFC5416,2009.
[6] Chen J.L,Larosa Y.T.Distributed multi-agent schemes for predictable Qos on heterogenous wireless networks[C].Proc of the 17th IEEE International Conference on Parallel andDistributed Systems,2011:707-712.
[7] Lin Haozhuo,et al.Apply embedded openflow MPLS technology on wireless OpenFlow-OpenRoads[C].Proc of 2ndInternational Conference on Computer Communications andNetworks,2012:916-919.
作者简介：
王 琨(1985-),男,硕士,讲师.研究领域：无线网络、信息安全.
戚光远(1984-),男,硕士,讲师.研究领域：心理学、信息安全.
孙嘉骏(1985-),男,硕士,讲师.研究领域：自动化控制、嵌入式系统.
总结：这篇网络节点论文范文为免费优秀学术论文范文,可用于相关写作参考。
网络节点是什么引用文献:
[1] 排序算法和网络节点参考文献格式范文 关于排序算法和网络节点方面在职研究生论文范文5000字
[2] 网络学位相关论文题目 网络学位论文题目怎样拟
[3] 新颖的网络学士论文选题 网络学士论文题目怎样定
