SDN在无线局域网中的研究进展

何国银　胡欣岳

摘要：软件定义网络（Software Defined Networking， SDN）的基本思想是将数据平面与控制平面解耦和，从而简化网络管理。无线网络应用该思想，开放无线网络可编程接口，分离无线控制平面与数据平面，诞生了软件定义无线网络（Software Defined Wireless Networking， SDWN）。重点介绍了SDWN中软件定义无线局域网（Software Defined Wireless Local Area Networks， SDN-WiFi）的研究进展。首先从SDN-WiFi的诞生背景入手，梳理总结了SDN-WiFi的分层网络体系架构；然后，介绍了SDN-WiFi中几种关键技术的研究进展，包括WLAN中的接入技术和漫游技术，密集部署和集中管理，以及负载均衡等问题；然后，论述了目前研究SDN-WiFi的几种不同的方法，包括实际网络环境的部署和SDN-WiFi仿真工具的研究；最后，分析并展望了未来SDN-WiFi所面临的挑战和发展趋势。

关键词：软件定义无线网络；软件定义无线局域网；可编程接口；控制器；无线局域网

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）02-0025-06

Abstract：The basic idea of Software Defined Networking （SDN） is to decouple the data plane and the control plane of the network， and then simplify network management. The application of SDN in wireless network promotes the rise of Software Defined Wireless Networking （SDWN）. This paper presents and discusses recent research progress on software-defined wireless local area networks （SDN-WiFi）. Starting with a brief discussion on the background of SDN-WiFi， we summarize and present the layered network architecture. More importantly， we introduce recent research process on several key technologies of SDN-WiFi， such as the access technologies and handover schemes in WLANs， the dense deployment and centralized management schemes， and the load balance between APs， etc. Furthermore， we summarize recent experimental studies on SDN-WiFi， including both the practical testbed results and the simulation evaluations. Finally， the challenges and the development trends of future SDN-WiFi are discussed.

Key words：SDWN； SDN-WiFi； Programmable Interface； Controller； WLAN

1 引言

无线局域网（Wireless Local Area Networks， WLAN）凭借其接入速率高，架构使用便捷，系统费用低廉和扩展性好等优点，应用日趋广泛，成为近年来无线通信领域的亮点之一。而随着无线通信技术的高速发展和社会信息化的加快，人们对无线数据业务的需求呈现出了爆炸式的增长，各种新的网络应用层出不穷，通信网络面临着诸如移动终端数量，内容的爆炸式增长，服务器虚拟化，以及各种云计算业务不断产生的冲击，传统网络的静态架构和管理方式与各种应用的动态发展趋势越来越不适应；同时，传统的采用专用硬件设备的组网方式，导致新的业务开发，部署的周期很长，很难适应业务发展的需要，网络缺少可编程性。在当前密集的网络部署下，存在着较高的运营成本。

面对当前无线网络出现的网络资源利用率低，流量负载不均衡，业务质量难以保证，管理复杂度高等诸多问题，产业界需要一个新的无线网络管理架构来解决这些问题，实现网络的快速配置和动态管理。

软件定义网络（Software Defined Networking， SDN）作为一种新型的网络体系架构，将网络的控制功能与数据转发功能分离开来，由集中式的网络控制器将数据转发平面上的流量分配给网络元件，实现拓扑感知，路由决策等功能[1]。受SDN原理的启发，研究者们将SDN的核心思想与无线网络相结合，提出了软件定义无线网络（Software Defined Wireless Networking， SDWN），SDWN逐渐成为近年来无线网络的研究热点。

本文主要介绍了软件定义无线局域网（Software Defined Wireless Local Area Networks， SDN-WiFi）中的研究进展。文章首先从SDN-WiFi的网络架构着手，第2节研究总结了SDN-WiFi网络的分层体系架构，并对每一层以及连接各层的接口进行分析说明。接着第3节分析了SDN-WiFi中需要解决的几个关键问题，包括无线网络中的接入技术和漫游技术，密集部署和集中管理，以及负载均衡等问题，分析总结了应用SDN-WiFi解决这些问题的研究进展。第4节详细阐述了目前对于SDN-WiFi的几种研究手段，包括实际网络测试环境的部署和利用仿真平台进行SDN-WiFi的相关研究。第5节对未来的研究工作面临的问题进行了分析。最后在第6节总结本文。

2 SDN-WiFi的架构研究

针对不同的网络需求，众多研究者提出了相应的SDN-WiFi的网络架构。早在SDN发展的初期，OpenRoads[2]就提出将SDN运用到无线网络中。OpenRoads利用OpenFlow[3]和SNMP[4]在异构无线网络（如WiFi、WiMAX等）中实现了网络虚拟划分和终端移动管理，利用FlowVisor[5]划分虚拟网络，分割底层流量，简化了网络管控的方法。文献[6]将SDN引入到低速率的个人无线局域网，每一个物理设备包含一个微控制系统，支持灵活的数据转发规则。OpenRadio[7]讨论了可编程的无线数据平面问题，提供软件抽象层和模块化的编程接口，可以处理不同协议（WiFi、WiMAX、LTE等）下的数据。OpenRadio将网络分成决策模块（decision plane）和处理模块（process plane），决策模块根据需求控制处理模块对数据的处理，决定使用何种协议处理数据。文献[8]和[9]利用虚拟接入点（Virtual Access Point， VAP）的概念，针对WLAN应用SDN的思想实现了无线终端的无缝漫游。Odin[8]利用控制器为每一个接入网络的用户终端分配一个只属于该用户的VAP，该VAP存储在用户终端当前连接的接入点（Access Point， AP，也可称为物理AP）上；而在CloudMAC[9]中，VAP与物理AP分离并且只有一个，无线数据信息在控制器的管理下由相应的物理AP进行转发。COAP[10]针对密集家庭网络的问题，结合SDN的架构提出了一个集中管理家用AP的架构，在COAP的架构下，所有的AP都支持统一厂商的API，通过Internet由运营商控制的控制器集中进行控制，从而获得更好的网络资源分配。

除了上述研究，还有很多研究者都提出了自己的SDN-WiFi网络架构[11，12，13，14]，虽然具体实现方式不同，但是SDN-WiFi的整体网络体系架构主要可以划分为三层：数据平面、控制平面（也可称为决策平面）、应用平面。本文总结了SDN-WiFi的网络架构如图1所示，以控制器为核心，南向接口协议负责控制平面与数据平面之间的通信（Control-Data-Plane Interface， CDPI），北向接口协议负责控制平面与应用平面的通信（Control-Service-Plane Interface， CSPI）。

2.1 数据平面

数据平面由用户终端、无线接入设备、交换机和路由器等网络元素组成，各网络元素之间通过由不同规则形成的SDN网络数据通路形成连接。与有线SDN类似，无线接入设备由控制器统一管理配置，为用户提供多种业务服务；骨干网由可编程的交换机与路由器组成，通过对无线接入点部分和骨干网部分的集中控制，实现网络的管理、维护和配置需求。

2.2 控制平面

控制平面由多个分布式的SDN控制器组成，形成一个逻辑中心的控制器，负责运行控制逻辑策略，将全网状态信息抽象成网络服务，通过南向接口协议CDPI来获取全网的信息，调用相应的网络数据通路，管理网络信息，并通过北向接口协议CSPI向运营商、科研工作者等第三方提供简单易用的接口实现对网络的逻辑管理。

2.3 应用平面

应用平面包含各种基于SDN-WiFi的网络应用，用户无需关心底层的技术细节，只需要通过调用相应的北向接口，获取需要的信息，通过简单的编程的方式就可以实现网络应用的快速部署。

2.4 南向接口与北向接口

南向接口CDPI连接数据平面与控制平面。在SDN-WiFi中，数据平面提供统一的接口标准，控制器通过南向接口协议可以获取数据平面的网络信息。目前最常用的南向接口协议为OpenFlow协议[3，15]。数据平面允许控制器通过南向接口对设备进行编程，对网络进行虚拟化等操作。同时由于底层设备提供统一的接口，允许网络的虚拟化操作，上层不同的业务可以使用底层相同的物理资源，提高了资源的利用率。对于骨干网部分，由于交换机和路由器的可编程性和控制器的集中控制机制，控制器可以通过CDPI收集全网信息，根据全网的信息执行不同的行为策略，链路的利用率可以被大大提高。北向接口CSPI连接控制平面与业务平面。北向接口协议目前尚未有一个统一的标准，不同的研究者根据不同的需求提出了相应的北向接口协议[1，2，6，8，9]。SDN-WiFi的网络架构中，控制器可以访问底层设备的所有资源，而对于不同的业务，控制器给予不同的业务不同颗粒度的访问权限，允许不同的业务对数据流进行不同程度的处理，实现对数据流的操作。同时利用北向接口，第三方可以开发各种网络管理软件和应用，为网络管理人员提供更多的选择而不需要考虑底层设备的具体型号。

3 SDN-WiFi的关键技术研究

与有线网络不同，SDN应用到WLAN中有许多问题需要解决。举例来说，在WLAN网络中，每个接入点需要根据当前的网络环境设置工作信道，信号发射功率等，移动终端接入网络之前需要选择接入点进行接入，同时由于终端的移动性，终端有可能需要在不同的接入点之间进行切换等问题。本节回顾了为了解决这些问题，将SDN引入到无线局域网中所做的一些研究，主要包括接入技术、漫游技术（移动性管理）、密集部署、负载均衡、集中管理等问题。

3.1 接入技术与切换技术

AP间切换技术是无线局域网中的重要问题。移动终端在WLAN中的位置是随时变化的，为了保证移动终端在移动的过程中通信的连续性，获得较好的网络服务，终端在移动的过程中可能需要从一个接入点切换到另一个接入点。在传统的切换过程中，终端需要经历扫描，认证和重新关联的过程，该阶段会产生较大的网络时延，对用户服务质量产生较大的影响[16，17]。SDN-WiFi架构以其灵活性，集中控制和标准化等优势，可以很好地解决这个问题，已经有众多的研究者利用SDN-WiFi来提高无线网络切换时的性能。

文献[9，18]利用VAP的概念，将终端的认证连接过程分离到单独的服务器上实现，物理接入点只负责转发数据，所有接入到物理接入点的终端逻辑上都接入同一个VAP，终端在物理接入点之间的迁移由连接VAP和物理AP的OpenFlow交换机实现，具体方式为控制器下发流规则控制数据从VAP到不同的物理AP再转发给终端实现。终端在物理AP之间的切换过程如图2所示。Odin[8，19]中终端接入AP，控制器就为该终端分配一个VAP与之相关联。每一个移动终端对应一个唯一的VAP，只有当移动终端离开网络超过一定的时间，对应的VAP才会被释放。当移动终端从一个物理AP迁移到另一个物理AP时，与该移动终端对应的VAP也会被迁移到另一个物理AP上，进而完成移动终端的切换。图3给出了Odin下移动终端切换的过程。

Odin和CloudMAC都利用VAP的概念实现了终端在接入点之间的无缝切换过程，但是其局限在于所有的接入点都必选工作在同一个信道上。为了实现终端在不同信道间的无缝切换，文献[20]在Odin的基础上引入的信道切换声明（Channel Switch Announcement， CSA）消息，当终端需要从物理AP-1切换到物理AP-2时，物理AP-2会发送包含CSA的Beacon消息给终端，通知终端是否需要进行信道的切换，在信道完成切换以前，物理AP-1仍然为终端提供服务。在Odin和CloudMAC中，用户的切换均由控制器决策，由控制器决定何时让终端实施切换，文献[21]则提出了一种由终端决定何时切换的无缝漫游机制，其中终端能够同时接入多个接入点，当终端决定切换时，由终端将切换消息发送给控制器，控制器根据接收到的切换消息，下发对应的规则到OpenFlow交换机，控制数据信息从不同的接入点发送到终端，不需要进行重新扫描认证的过程。文献[22]结合SDN/OpenFlow控制器与瘦AP架构下的无线接入控制器（Wireless Access Controller， AC），结合OpenFlow协议与CAPWAP协议[23]，通过在交换机上建立不同的流表从而完成终端在接入点之间的三层切换。文献[24]中，所有的接入点均支持OpenFlow协议，并且所有的接入点设置相同的SSID和BSSID，这样对终端而言，始终只有一个AP。对某一个终端k而言，所有的接入点被分成Service AP（S-AP）和Monitor AP（M-AP）两种，S-AP为终端k当前连接的AP，M-AP监听接收到的终端k的信号的强度。如果某个M-AP接收到的终端k的信号强度大于S-AP接收到的终端k的信号强度，则控制器将该M-AP设置为终端k的S-AP，信号较弱的S-AP则被设置为终端k的M-AP，从而完成切换过程，减少了切换时的重新认证关联过程。除此之外，还有相关文献研究了利用SDN/OpenFlow技术解决异构网络中的垂直切换问题[13]。

可以看出，在SDN-WiFi架构下，物理AP的差异性被减弱，只作为转发数据使用，终端的接入认证过程由虚拟接入点和控制器完成，其中文献[25，26]介绍了几种不同的在物理AP上实现虚拟化功能的方法。作为提升WLAN网络性能和用户满意度的一项关键技术，接入点的虚拟化技术和终端的无缝切换是近年来SDN-WiFi的一个热点研究问题。

3.2 密集部署与集中管理

无线网络业务数据量的增长，接入终端数量的增多和覆盖区域的不断扩展，促进了WLAN的大量部署和密集使用。然而随着这种快速增长，越来越多的问题也随之而来，如网络资源利用率低，流量负载不均衡，业务质量难以保证，管理复杂度高等。很多研究者将SDN引入到无线局域网领域，利用SDN-WiFi网络架构来解决这些问题。

OpenRoads[2]通过开放无线部署平台，利用FlowVisor[5]进行网络切片，从而实现网络虚拟化平台，利用这个平台，控制层和数据层都很容易扩展。OpenRoads的控制器统一管理85个无线AP以及2个WiMAX基站，研究人员利用FlowVisor和控制器可以独立进行多个实验而不相互影响干扰。虽然具体实现方法不同，Odin和CloudMAC均基于虚拟AP的概念实现了对无线网络的集中管理和统一部署，但是在现有的实验部署中，Odin和CloudMAC的网络规模都还很小，对于大规模密集部署的网络环境还有待进一步的研究。CROWD[27，28]将控制层分为两层：本地控制器（CRWOD Local Controller， CLC）和区域控制器（CROWD Regional Controller， CRC）。CROWD将一个密集部署的异构网络划分成很多小的网络块，每一个网络块由一个CLC控制器控制，所有的CLC控制器又由一个CRC控制器进行集中管理，最终实现对整个网络的管理。但是CROWD暂时还没有定义一个完全开放统一的接口。文献[29]提供了一个密集无线局域网络的试验床，承载真实用户的流量并运行各种网络应用，实现密集无线网络中的信道管理、功率控制、接入管理等网络服务。通过为不同的网络节点设置不同的网络权限，控制终端接入到不同的网络。COAP[30]针对当前普遍使用的家用无线接入点提出了一个基于OpenFlow的无线网络架构。考虑到家用无线接入点的多样性，COAP假定所有这些不同厂商的无线接入点均支持统一的API，并且通过网络接入到云端控制器，由云端控制器统一对这些无线接入点完成部署任务。无线接入点进行配置，故障自检及信息收集等，并将该信息提供给控制器，由控制器进行更新配置。COAP可以实现密集部署的无线接入点之间的信道的优化分配，减少信道竞争，提高无线网络服务质量。

随着无线网络越来越普遍，无线接入点的密集部署将成为SDN-WiFi解决扩大网络覆盖，提高网络服务质量等问题的手段之一，而从现有研究来看，大部分的研究部署方案中，无线接入点的个数较少，难以承载现有真实用户的流量。同时大规模密集部署无线网络时，无线接入点的管理工作、非正交无线信道之间的干扰问题等都还有待研究。

3.3 负载均衡技术

在一个WLAN网络中，AP会为多个终端提供互联网接入服务，因为终端分布的随机性，可能会出现一些AP负载很重，而另外一些AP负载很轻的现象。此时接入到重负载的AP上的终端的服务质量将难以保证。同时由于终端在不同AP之间切换时，也会造成负载抖动的现象，消耗网络资源。文献[20]利用负载感知的方法解决AP之间的负载均衡问题，当终端所连接的AP负载较重，而附近又存在负载较轻的AP可供接入时，终端会从当前的AP切换到负载较轻的AP，从而实现多个AP之间的负载均衡。文献[26]利用SDN集中控制的特点，在控制器上设计负载均衡模块，收集接入点和移动终端的信息，通过为移动终端选择不同的接入点，减小AP之间的负载的标准差，最终达到接入点之间的负载均衡。文献[30]将SDN应用到包括LTE和WLAN在内的异构网络环境中，实现用户在异构网中的移动性管理问题，分析了基于用户切换实现负载均衡需要解决的问题和挑战。除了上面的研究外，ONF组织的无线SDN工作组也体提出了基于OpenFlow的负载均衡策略[31]。

随着无线应用的日趋广泛及无线接入点的密集部署，AP间的负载均衡是影响WLAN网络性能的重要因素。现有的部署方案多采用Fit-AP架构，需要使用厂商绑定的设备以完成特定的功能，技术手段也不够灵活，需要在SDN-WiFi的架构下深入研究。更进一步，大部分现有SDN-WiFi研究的部署方案只考虑了单一的网络环境[27，28，29，30]，异构网络环境中的实验部署还有待进一步的探索。

4 SDN-WiFi的实验部署

目前针对SDN-WiFi的研究还处在起步阶段，仍然需要学术界和产业界的共同努力，同时SDN-WiFi究竟能够带来多大的性能提升还有待验证。在对SDN-WiFi架构及各种基于SDN-WiFi架构的应用的验证方面，当前既有研究者利用实际设备搭建实际网络测试环境进行验证，也有部分研究者利用仿真工具搭建仿真平台来对SDN-WiFi架构进行验证。

4.1 基于实际网络的SDN-WiFi部署

文献[2，6，8，9，19，27，29，30]利用实际的网络设备搭建了SDN-WiFi的实验平台。OpenRoads[2]同时在斯坦福大学的计算机系和电机工程系大楼部署，结合OpenFlow和SNMP以及FlowVisor在异构无线网络中实现了网络虚拟划分和终端移动性管理，简化了网络管控的方法。Odin[8，19]在柏林工业大学一栋教学大楼的15层和16层部署，测试了基于虚拟AP的切换对网络时延和终端可获得的吞吐量的影响。在CloudMAC[9]中，作者通过OpenWRT刷写普通商用的无线接入点并添加相应软件以实现无线接入点的可编程功能，利用一台PC机作为控制器，搭建了一个小型的SDN-WiFi测试平台。Behop[29]被部署在斯坦福大学的一栋包含150个房间的四层宿舍中，实时为用户终端提供服务并记录真实网络的数据流量及网络性能。表1给出了基于实际网络设备的相关部署研究以及相应项目的网址。SDN-WiFi的实际相关部署目前还主要集中在小范围内的测试验证，距离大规模部署应用尚有一段距离，需要更多研究者和产业界的共同努力。

4.2 基于仿真工具的SDN-WiFi部署

一个新的方案在被实际部署前，通常需要先验证该方案的性能，确定该方案的可行性，SDN-WiFi也是如此。为了验证SDN-WiFi架构的可行性和优越性，很多研究者利用仿真手段来研究SDN-WiFi。Mininet[34]作为最早的轻量级软件定义网络的测试平台，支持OpenFlow和OpenvSwitch等各种协议。Mininet可以在同一台计算机上模拟一个完整的网络主机、链接和交换机，有助于互动开发、测试和演示，尤其是使用OpenFlow和SDN的技术。但是Mininet缺少对无线模块的有效支持。OpenNet[35]将Mininet和NS-3[36]连接起来，借助NS-3对无线模块的良好支持，实现对SDWN的仿真。OpenNet的相关代码均可以从文献[37]获取。为了弥补Mininet对无线模块不支持的问题，Mininet-WiFi[38]通过在Mininet中添加IEEE802.11的模块，实现在Mininet中对SDN-WiFi进行仿真。Mininet-WiFi的相关代码可以从文献[38]获取，目前Mininet-WiFi还在不断完善更新之中。目前来看，大部分SDN仿真工具提供的还是有线环境下的SDN网络仿真，对于SDN应用到无线环境中的仿真研究还比较少。

5 未来工作展望

有关SDN-WiFi的研究已经得到各方面的关注，但目前SDN-WiFi还处在初始阶段，SDN-WiFi技术也还有待完善。SDN-WiFi技术的出现带来了诸多机遇，同时也面临着更多的挑战。

5.1 SDN-WiFi的大规模部署和域间通信问题

目前来看，基于SDN-WiFi的无线网络部署环境主要面向校园网和企业网，实验网络规模很小，缺乏针对大规模无线局域网部署的相关经验。真实网络面临的异构环境，性能需求差异和扩展性等问题都有可能成为制约其发展 的因素。同时在网络大规模部署环境中，不可能只使用一台控制器实现全局网络的管理，控制平面的性能对整体网络的性能有直接的影响。目前对于SDN的控制平面功能拓展研究存在着垂直架构和水平架构两种解决方案。垂直方案中将控制器分成两层，高一层的控制器用于协调底层多个控制器之间的通信。水平架构方案中，所有控制器位于同一层级，文献[39]中提出的控制器间的通信就属于水平架构的方案。目前关于控制器之间通信的东西向的接口并没有一个统一的标准，对于异构控制器之间的协同工作，实现跨域通信和管理是亟需解决的问题之一。

5.2 SDN-WiFi与网络安全

SDN-WiFi采用集中控制的方式管理网络，控制器作为网络的中枢设备，其安全性直接关系到整个网络的安全性和可靠性。当前在OpenFlow的设计中，对安全性的问题考虑还不够。在SDN-WiFi的安全机制设计，异常监测和恶意攻击保护等方面还需要进行更加深入的研究，以保证SDN-WiFi安全健康的发展。

5.3 SDN-WiFi与能量管理

无线局域网密集部署带来的另外一个问题是能量损耗的问题，能量损耗增加了网络成本，如何实现能量节省和优化是SDN-WiFi大规模密集部署需要解决的问题之一。文献[40]指出无线网络中超过50%的能量损耗发生在基站端，因此在文献[41]中，作者结合SDN集中管理的思想，在保证用户QoS的前提下，通过将用户集中到某些接入点，从而关闭空闲接入点，达到节省能量的目的。文献[42]在Odin的基础上添加能量管理模块，利用Odin中虚拟AP的概念将用户集中到主AP获取服务，而将空闲的备用AP设置为休眠状态，从而节省能量。文献[43]则将SDN应用到数据中心网络，相比于传统节能策略进一步节省了数据中心网络的能耗。

目前关于能量管理的研究主要集中在接入点端，通过迁移用户终端，关闭空闲的接入点来实现能量节省的目的。利用SDN-WiFi的集中管理的优势，如何实现包括接入点和用户终端的能量节省，以及异构网络环境中的能量节省，将成为未来SDN-WiFi的研究方向之一。

5.4 SDN-WiFi与其他网络共存

未来网络朝着移动互联的方向发展。作为解决计算机网络“最后一公里”的无线网络解决方案，WLAN必然在未来无线网络中占据重要地位。另一方面，SDN-WiFi目前还处于起步阶段，在实现大规模部署的过程中，SDN-WiFi必须与其他无线网络（如LTE、5G和传感器网络）长期共存。如何和其他主流无线网络兼容，充分发挥不同无线网络架构的特点和优势，实现无线通信资源的高效通信与管理，是未来无线SDN网络研究的重要课题。

6 总结

SDN作为当前网络领域最热门和最具发展前途的技术之一，给无线领域带来了崭新的活力。从技术角度看，SDN-WiFi目前还并未形成统一的标准。众多研究者提出的SDN-WiFi网络架构其核心思想也都是一致的：即实现控制平面与数据平面的分离，开放网络接口，灵活的实现不同网络业务的需求。随着人们对无线业务需求的持续增长，用户需要更加灵活的网络接入和更加安全的网络体验，这必然会促进SDN-WiFi的不断发展。然而SDN-WiFi要想成为下一代无线局域网主流技术还需要克服许多困难，包括SDN-WiFi的可扩展性，规模化部署，以及域间通信等关键问题。如何结合无线通信环境的特点，利用SDN-WiFi所具备的优势，实现无线频谱资源的充分利用和网络性能的提高，将成为SDN-WiFi未来研究发展的重要任务。

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