基于SMIoT的软件定义移动自组织物联网组网机制研究.docx

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基于SMIoT的软件定义移动自组织物联网组网机制研究

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韩瑜娟

摘?要：文章充分结合SDN集中管控、MANET分布灵活和IoT智能感知的优势，采用SDN+MANET+IoT的思路实现异构网络融合组网，满足智能巡检的需求。利用可编程性高的树莓派智能小车作为IoT硬件平台，并在此基础上搭建分布式MANET网络，实现智能小车集群的自组织组网。同时，为实现智能巡检和相互协作，将OVS交换机移植到树莓派平台，利用扩展的OpenFlow协议，对分布式智能小车集群实施基于SDN技术的集中管控，统一管理集群的物理感知能力、移动监控能力和数据转发能力，进而搭建SMIoT。

关键词：软件定义网络;移动自组织网络;物联网

近年来，物联网（InternetofThings，IoT）的应用与日俱增，但是其庞大的数据规模在性能受限的传统网络中很难进行高速转发，传统网络架构转发数据，都要通过3层核心进行多层转发，增大了网络的延迟，还浪费了核心宝贵的资源。本文采用软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）为其提供集中管控和应用开发，移动自组织网络（MobileAdHoeNetwork，MANET）的提出增强了物联网的移动性和灵活性，若MANET受控于SDN，将加快物联网领域的创新，在大范围自组织组网的同时还满足全局管控，在一些要求实时反应和移动性的应用场景（如水电站智能监控、灾害预警、环境感知等）中，传统网络设备难以承担移动性无线组网及实现集中的资源调度任务，因此，SDN集中管控MANET网络实现网络优化是非常有必要的。

1??平台设计

将软件定义的移动自组织物联网组网体系（Software-DefinedMobileAdHocIoT，SMIoT）应用到“水电站智能巡检系统”实施方案中，水电是我国能源结构调整的关键，水电站的建设和运行不仅涉及复杂的水力发电本身，还要考虑所处的环境和水文条件。由于环境的复杂化与动态化，监测目标的多样化，仅引入固定传感器和摄像机可能无法完全满足巡检要求。主要目标是利用SDN的集中管控能力，配合IoT的分布式计算能力，实现集中受控于SDN控制器的移动IoT集群，为水电站智能巡检的应用场景带来价值。

例如，在水电站中，首先，固定摄像机被河岸上不断生长的树枝等障碍物遮挡（Q1即一个被遮挡的变压器），可能无法对发电以及其他设施进行有效的监测;其次，设施也可能受到例如鸟类等野生动物的破坏（Q2），需要近距离观测损坏程度;再次，固定传感器和摄像机本身也可能需要定期检查，需要有临时备用设施，以确保正常工作（Q3）;最后，水力发电厂的建设和运行可能会对生态造成影响，需对水电站附近水温、水质进行监测，对稀有物种的生活环境进行评估（Q4），具体如图1所示。

MANET节点（例如无人驾驶飞行器N1，N2和N3）可以用于巡逻目标点，并适应现场进行智能编队以获得更好的监视角度（例如图1中的三角形），以避免障碍物、追踪有害生物等，并通过远程低功率通信向管理员传递监视或损坏报告，以便在早期能够控制甚至避免设施损失。

2??系统实现

2.1?组网

MANET节点组网基于Internet控制报文协议（InternetControlMessageProtocol，ICMP）算法并充分利用ICMP消除了为集群建立专用网络协议必要的有效载荷。每一个对等节点在启动网络请求以避免请求冲突之前设置一个t秒的计时器。在t秒的计时器期间，节点等待任何可能的传入网络请求。接收网络初始化的任何节点指标在无线环境中发回关键指标—电池信息，也可以采用其他度量标准选择簇头。启动节点中在所有回复节点和通知中电池电量最高的节点，将被选作簇头，此时簇头指示灯亮起。一旦通知，节点将自己设置为簇头，然后通知所有其他参与的节点自己的角色为簇头，而被告知的节点扮演受控节点的角色。其他节点用网络回复指示器，确认它们是否愿意参与群，以及确认它们作为节点的角色。如果网络没有在计时器t内接收到请求，节点可以选择自行启动联网过程。

MANET组网步骤如下：首先，N1发起组网请求net_init;其次，N2，N3，N4回復自身电池信息，以电量信息作为选取标准;再次，N1通过比较电池信息选择N3作为簇头（控制端），并通知N3结果;从次，N3将自身设置为簇头模式，并通知所有其他节点簇头选择结果及其作为受控群节点的作用;最后，所有其他节点确认加入群。如图2所示。

在项目目前的设计中，采用了IEEE802.11（又称WiFi）网络接口卡（NetworkInterfaceCard，NIC）。MANET底层选用WiFi的好处是它提供了与基于IP的网络（如网间网络、以太网、SDN等）的良好互操作性，从而使得通过TCP/IP协议栈的应