软件定义无线网络的研究综述

杨志伟(仲恺农业工程学院计算科学学院 广东 广州 510000)

1 引言

软件定义网络(Software Defined Network，SDN)起源于2006年斯坦福大学的Clean Slate项目，是一种新型的网络架构，该架构能够实现网络流量的灵活控制。软件定义网络概念自提出以来，迅速成为国内外相关领域专家研究的热点，被专家认为是下一代互联网的重要发展方向。软件定义网络的核心技术包括控制器技术、应用层面、数据转发层面和转发策略更新，其核心思想是从网络设备中分离出控制功能，控制器负责流表的生成，而网络设备则根据流表进行数据转发。软件定义网络通过控制功能和数据转发功能分离，从而实现有效的网络资源协同分配和调度，使得网络变得更加智能，资源利用更加合理。目前，软件定义网络方面的研究工作大部分是是面向有线广域网、局域网环境的，包括安全问题、可扩展性、控制平面、流量监控等方面。近几年来，随着无线网络技术的发展，软件定义无线网络方面的研究逐渐成为热点，包括无线局域网、多跳自组织网络、蜂窝网络以及车联网等环境下都有软件定义技术的研究工作。本文主要对软件定义无线网络方面的国内外研究工作进行总结，并对软件定义无线网络研究存在的问题进行讨论。

2 软件定义无线网络研究现状

2．1 无线局域网方面研究。在无线局域网络方面［1］，目前软件定义无线局域网络的主要研究包括:(1)设计分离网络服务层和底层基础设施的无线网络架构;(2)设计合理的软件抽象层，该层能够将无线协议的处理块和决定层分开，从而为物理层和MAC层的可编程性提供了保障;(3)设计分级的控制层，例如把控制层分为两级，低的一级由邻近控制器组成，处理那些不需要全局信息或频繁发生的事件，高层控制器则是处理类似网络监控或负载均衡等事件;(4)设计社区网络中的软件定义无线mesh网络控制器层面，以实现可扩展的公共Internet接入。

2．2 蜂窝网方面研究。将软件定义技术用于蜂窝网［2］是无线网络研究中的另一个热点，主要研究包括:(1)设计基于交换机和基站的软件定义架构，实现网络有效控制;(2)设计中央控制节点和相邻基站之间的控制系统，如中央控制器决定影响邻近基站的控制，而本地基站决定快速变化的参数影响的控制;(3)设计移动设备的控制平面和数据平面解耦，形成一个混合无线网络的通用的通讯层，并且基于移动设备提供的邻居信息组织移动设备解决流量问题;(4)设计支持5G无线系统的软件定义网络架构。

2．3 多跳无线网络方面研究。在多跳无线网络［3］研究领域，软件定义技术也已有一些研究工作，主要研究包括:(1)设计合理的无线网络中OpenFlow，来实现控制流量和数据流量;(2)设计基于传感器节点的软件定义架构，利用控制器对传感器交互实现有效控制;(3)设计软件定义无线网的编程抽象模块，包括状态管理、资源配置、网络监控和网络重配置等方面;(4)设计无线融合网络中的抗灾网络，通过软件定义技术去选择和维护由无线网络节点组成的链路。

2．4 车联网方面研究。不同与以上无线网络，车联网具有高动态性、协同要求高、完备性要求高等特征，因而软件定义车联网方面的研究相比其它无线网络起步比较晚，根据我们能够调研到的信息，最早研究软件定义车联网或软件定义车载网络技术是2015年，而且只是提了软件定义车联网的架构，没有实现数据转发算法。Liu等［4］在软件定义车联网的架构中实现车辆数据转发算法，该算法中把车辆协同数据分发问题转换为最大加权独立集问题，然后使用贪心算法取得近似最优解。国内现在也有某些专家开始研究软件定义车联网，杨等［5］把路边单元作为控制器，使用动态规划和二分搜索方法设计了车辆路由转发机制，对比没有使用软件定义技术的车联网数据转发机制，该机制能够实现数据高效转发。文献［5］中只有局部控制器，而董等则提出控制器由局部控制器和全局控制器组成，并使用贪心策略来预测车辆节点位置，使用最短路径算法和边集相结合来实现车联网数据路由机制。车联网在体系结构、移动性、应用需求等各方面的特殊性使得现有的软件定义网络技术无法直接应用到车联网中。软件定义技术在车联网的研究也是近三年才开始，高质量的论文不多，还有很多核心问题有待解决。

3 软件定义无线网络研究难点

软件定义网络技术是针对有线网络设计的，其网络结构也比较稳定。虽然计算节点和网络拓扑也会发生某些变化，但其变化更多是由于偶发性的失所导致，其变化范围十分有限，可以通过容错机制等方式进行处理。而无线自组织是一种自治、多跳的动态网络，具有网络节点移动性强、网络拓扑变化大等特征，因而基于无线自组织网络的分布式系统尤其复杂。因此，软件定义网络技术在无线网络方面应用，需要解决以下几个难点:

3．1 软件定义无线网络架构。网络的体系结构是计算机网络的基础核心问题，涉及到网络的架构、构成部分及关联方式等基本问题。软件定义网络本身是面向广域网、局域网等传统、有线网络环境而设计的，因此其技术、协议、算法等主要考虑的是有线链接、固定设备的情况。而在无线网络中，主要是基于P2P的动态化无线链路实现组网和通信，其网络体系结构与广域网、局域网等有线网络有本质的差别，与一般的无线局域网和自组织网络也有很大的不同。显然，要实现软件定义的车联网，必须基于无线网络的特点，对传统的软件定义网络体系结构进行改进、扩展甚至重新设计，以适应车联网的无线特性、移动特性等新的体系结构特征。

3．2 数据路由转发机制。网络控制器是软件定义网络的基础设备，用于控制数据层的转发行为。网络控制器的核心技术是网络链路资源的调度分配策略。基于网络的链路状况和用户的数据传输需求，对网络的链路资源进行优化配置，实现资源利用的最优化。在有线网络中，其链路和转发设备都是静态、稳定的。而车联网中，转发设备是移动的车辆节点，处于不停的变化中，相应的数据链路也是动态变化的。对这样的链路资源进行调度分配与传统的软件定义网络有本质差别，需要进行针对性的深入研究。

3．3 数据层技术研究。与一般的软件定义网络相比，软件定义无线网络的控制器、应用程序等都有很大不同。但其明显的不同还是在数据层。在无线网络中，数据通信链路的主体是节点间的无线链路，是通过自组织的形式建立和维护的。要将软件定义网络技术应用到无线网络中，首先要解决的问题就是如何对移动节点、无线链路进行分析，转换成量化的通信链路资源，实现基于移动自组织节点的数据层。

4 结语

软件定义网络作为下一代互联网研究方向，其重要性不言而喻。目前关于传统软件定义网络技术的研究综述比较多，包括控制器研究、网络可扩展性研究、安全问题、控制器等方面，而针对无线网络相关的综述较少。本文总结了国内外软件定义无线网络方面的研究现状，并详细分析了目前软件定义无线网络方面研究的难点，本文对于软件定义无线网络的研究人员有借鉴作用。