SD-FANET下基于节点合作的低开销且可靠有效路由解决方案*

陈 凯,任 智,韦 亮,张关鑫

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆 400065)

0 引 言

无人机自组网是由多架无人机自组织形成的网络[1]。因为无人机具有便捷灵活、成本低等优点,所以能够在缺乏通信基础设施和复杂地形条件的情况下提供救援、通信等服务[2]。在一定空域内,无人机集群能够为目标提供更加强大的服务[3]。但由于无人机自身机动灵活且负载有限的特性,导致无人机网络具有拓扑动态变化、负载有限等特点。无人机自组网的无线路由协议作为无人机自组网的重要研究方向,可靠高效且低开销的无线路由协议是无人机自组网成功运行的基础。传统的分布式路由协议应用到无人机网络时,会存在路由开销过大、路由信息更新不及时、通信链路不稳定和全局视野缺失等问题[4-5]。因此,为提高拓扑管理能力和资源处理能力,越来越多的学者关注软件定义网络(Software Defined Network,SDN)架构与传统无人机自组网的结合,同时,软件定义飞行自组网(Software-Defined Flight Ad Hoc Network,SD-FANET)也逐渐成为近年来的研究热点。

文献[6]提出了基于SDN架构的无人机自组网管理策略,目标是建立和维护其拓扑结构,以便通过中继单元在节点之间提供恒定和可靠的通信链路。文献[7]提出了一种切换算法,其有效地完成了因能量退网而进行的切换,解决了SDN架构的无人机网络的有序退网问题。文献[8]提出了一种SD-FANET自适应切换算法,SDN控制器实时监控网络状态,然后根据链路优先级和流量阈值周期性进行切换决策。该方法提高了链路的稳定性,保障了数据的有效可靠传输。文献[9]提出了一种无线自组网按需平面距离向量路由协议(Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing,AODV)与SDN结合的架构,普通节点运行AODV协议并周期性上传邻居信息,SDN控制器节点周期性维护全局网络拓扑。该架构具有更快的路由收敛速度和更强的网络健壮性。文献[10]提出了一种自适应路由维护机制,结合已有的流表项信息和已有的控制消息收发机制,有效地解决了现有SD-FANET中存在的网络开销过大、处理时延过大等问题。

通过现有的研究发现,当前的无人机网络中仍存在着初始建网时间过长及周期性组网开销过大、业务链路不稳定、用户数据业务传输可靠性低等问题。为解决上述三个问题带来的影响,本文提出了一种SD-FANET下的低开销且可靠有效的路由解决方案(Low-overhead,Reliable and Efficient Routing Solution Based on Node Cooperation,NC-SDN)。针对第一个问题,基于文献[11]提出的静态混合网络结构,利用节点之间的周期性感知能力,提出了包含聚合消息自主上传机制的SD-FANET的组网机制;针对第二个问题,利用节点之间HELLO消息的周期性传递,修复了无效未过期路由转发信息,减少了无效路由数目,减轻了不可靠传输的风险;针对第三个问题,利用普通节点上传的位置信息,SDN控制器借助卡尔曼算法修正与预测,实时跟踪监测业务链路,预切换中断链路,降低链路中断和用户数据丢失的风险。

1 当前问题分析

1.1 现有组网方式缺陷性分析

SDN的架构具有集中处理和快速感知的特点,考虑将SDN架构与传统分布式网络路由协议特征相结合,这样将有助于提高无线自组织网络的性能。但是,以往对于SDN架构与分布式路由协议相结合机制的探索主要集中在无线静态网络上。如图1所示,假设整个网络由1个SDN控制器与多个普通节点组成,SDN控制器具有全局拓扑视图,普通节点具有邻居感知功能。首先普通节点通过周期性收发HELLO消息来获取邻居信息,然后普通节点创建聚合消息并将自身邻居信息填充到聚合消息中,之后该普通节点将聚合消息上传到控制器节点,最后SDN控制器通过周期性聚合消息构造全网拓扑视图。当网络需要传输用户数据业务时,源节点将上传路由查询信息,SDN控制器经全网拓扑视图计算出最优路由进而下发路由转发信息到普通节点。收到路由转发信息的普通节点作为中转节点维护路由转发信息。

图1 SD-FANET场景

而无人机群网络场景有拓扑快速变化、带宽有限等特点。拓扑的快速变化是随机的,普通节点维护的邻居集存在着变与不变的可能性。在邻居集未改变的情况下,因为聚合消息内容的重复性,空闲的普通节点持续性上传聚合消息,会造成开销的浪费,且有悖于无人机带宽有限的限制。

1.2 未过期路由无效性分析

如图2所示,位于源节点A的用户为了能够向目的节点E传输用户数据业务,将会向SDN控制器申请图中所示的链路。各节点收到维持时间为T的路由转发信息,则理论上,在T时间段内,该链路上任意一个节点均能自主向目的节点E传输用户数据业务。但是,如图3所示,由于无人机的随机移动性,所以会造成拓扑的快速变化进而导致链路实质上中断。但又因为路由中转节点不具有全局视图,所以在T时间段内默认其路由转发信息的有效性。所以当上述链路情况改变,在T时间段内,位于该链路的任意一个前向节点(断点之前)向目的节点E传输用户数据业务,都会产生严重的丢包。

图2 因业务而建立的链路

图3 因无人机移动而中断的链路

1.3 实时业务链路不稳定性分析

在无人机网络中,无人机节点的飞行姿态具有时变性和随机性。如图2所示,当前网络中,链路A→B→C→D→E被SDN控制器指定传输实时用户数据业务。设R为节点的无线电范围,只有在R的范围内才能保证双方的通信数据交互。但是因为无人机节点的飞行情况不是预设的,所以正在进行传输业务的节点有可能飞离相应链路邻节点的通信范围导致实时用户数据业务中断。

2 NC-SDN路由解决方案

NC-SDN是适用于SD-FANET的低开销且有效可靠的路由解决方案:设计了含有自主上传机制的SD-FANET组网机制,用于无人机网络快速建网且减小了周期性组网开销;设计了HELLO消息接力修复机制,减轻了因链路变化引起的未过期无效路由信息的影响;设计了增强链路稳定性机制,降低了因拓扑变化而造成的实时业务中断的可能性且减少了大范围路由查询产生的开销。

2.1 聚合消息自主上传机制设计

在初始化阶段,普通节点主动发起邻居感知。普通节点在自己的HELLO消息中写入自己的身份信息,然后主动广播出去。HELLO消息格式如图4所示。各普通节点整合HELLO消息并生成聚合消息(格式如图5所示),将其上传到SDN控制器快速完成初始建网。

图4 HELLO消息格式

图5 聚合消息格式

在网络运行与维护阶段,网络中存在某时间段内局部网络拓扑未发生实质变化的情况,因此,NC-SDN中设计了自主上传机制。在网络运行的过程中,普通节点需保存上一个周期时刻所获得的各邻居的HELLO消息,称为历史邻居信息。在当前时刻收到当前周期内各邻居发送的HELLO消息称为当前邻居信息,普通节点立即将当前邻居信息与历史邻居信息进行比对,如果两种信息所对应的邻居完全一致,那么就说明此节点所在的局部网络拓扑未产生改变,此节点不需要聚合各邻居的信息进行周期性上传。SDN控制器未收到某普通节点上传的聚合消息,默认该普通节点的局部网络拓扑未产生改变,所以在进行网络拓扑更新时,SDN控制器将使用该普通节点的历史聚合消息。当然,为防止出现该普通节点与SDN控制器之间的南向接口安全通道中断而致使SDN控制器无法接收该节点的聚合数据包的问题,该普通节点只有间隔一次暂停上传的能力,下一个周期无论历史邻居信息和当前邻居信息的比对结果是否一致,普通节点都需要按周期到达时刻上传聚合数据包。

普通节点根据历史信息进行自主决策,既能够自适应网络拓扑的变化,又减少了SDN控制器与普通节点之间不必要的控制开销。改进后的组网机制更加适应于拓扑快速变化且负载有限的无人机群网络场景。

2.2 HELLO消息接力修复机制设计

为有效地减轻无效未过期路由转发信息带来的影响,NC-SDN中设计了基于HELLO消息接力修复的路由维护机制。链路如图3所示,当无人机节点C和无人机节点D之间因为随机飞行产生链路中断的时候,该链路上存有的路由转发信息就失去了作用并开始留下隐患。由于HELLO消息的发送周期远小于路由转发信息的维护时间,因此可以利用HELLO消息的周期广播的特点减小上述情况的影响。

当节点D作为节点C的下一跳时,节点C能够周期性收到节点D的HELLO消息,然后在其维护的某个路由转发信息中比对到Nexthop字段为节点D的信息。路由转发信息格式如图6所示。若链路中断,节点C在周期性的HELLO消息中无法比对到节点D的信息。因此,节点C将更改关于节点D的路由转发信息,节点C修改原路由转发信息的Dest字段为节点C信息,Nexthop字段为节点C信息。同时,节点C把告警信息加入到即将广播的HELLO消息中。告警信息的格式如图7所示,其目的是告知其邻居节点相应链路的路由转发信息已经不适用,并按照告警信息更改相应的路由转发信息。在告警信息Src字段写入该链路的源节点A,在告警信息Dest字段写入该链路的原来的目的节点E,在告警信息Dest_replace字段写入发现中断情况的节点C的信息。

图6 路由转发信息

图7 告警字段

节点B为节点C的邻居,节点B能够收到节点C发送的携带告警信息的HELLO消息,与自身的路由转发信息比对成功后,节点B立即修改路由转发信息中的Dest字段信息为节点C的身份信息,且修改Nexthop字段信息为一跳邻居的身份信息(这里将修改为节点C),路由过期时间Time保持更新。

同理,节点B在周期性发送HELLO消息时,将来自节点C的告警信息写入自身的HELLO消息中,原链路上的节点A在接收到来自邻居B的HELLO消息后,比对路由转发信息并借助告警信息修改无效的路由转发信息。

借助邻居信息的告警,本身已经无效的路由转发信息重新变成实质有效的路由转发信息。HELLO消息接力的路由转发信息修复方式在一定的时间和空间范围内自动甄别无效路由信息,重新定义生成有效路由信息,在一定程度上降低了上传查询的开销,维护了链路的稳定性和路由的可靠性。

2.3 增强链路稳定性机制设计

为减小因拓扑变化造成的实时业务中断的影响,NC-SDN中设计了一个增强链路稳定性机制。普通节点周期性上传自身的地理位置信息,SDN控制器通过普通节点地理位置信息分析预测实时业务链路上普通节点的飞行情况,进而决定是否进入双向切换。

本节将从位置、速度作为度量指标出发,结合卡尔曼滤波算法修正获得精确而合理的最优估计位置;通过最优估计位置得到预测位置,而后根据预测位置,SDN控制器对是否切换业务链路做出决策。同时,SDN控制器中会持续性维护一个负载表,其表示正在传输数据的链路对。

表1 负载链路表

首先,分解速度:

(1)

(2)

然后,求取第n个周期时的位置预测值:

(3)

(4)

现假设预测过程误差恒为δa,测量过程误差恒为δb,在周期数为n-1时的最优估计误差为∂n-1,即预测位置预测值的行为会产生误差为δa,由定位仪器得到的位置测量值的行为产生误差为δb。因此,预测在周期数为n时的节点的位置的过程产生的误差为

(5)

(6)

所以在周期数n的位置最优估计值为

(7)

(8)

同时,求得在周期数n的最优估计误差∂n为

(9)

最优估计误差∂n将作为周期数n+1时计算位置最优估计值的迭代信息并入下一次的迭代计算,因此,每一个周期都能够依据上一个周期留存的必要信息进行位置的计算与修正:

(10)

(11)

(12)

SDN控制器计算到了业务链路的节点位置预测值之后,从两端开始分别按照顺序和逆序的方式进行距离估计。顺序方式是指该业务链路从源节点开始进行相邻节点距离估计。逆序方式是指该业务链路从目的节点开始进行相邻节点距离估计。通过这种方式,SDN控制器锁定可能中断的链路范围。例如,业务链路节点B和D之间被认为会产生业务中断,即

(13)

(14)

SB→C≥0.9R,SD→C≥0.9R。

(15)

SDN控制器重新计算B和D之间的路由,如果节点B到节点D之间不存在有效路由,则SDN控制器扩大路由搜索范围,其将计算节点B到节点E以及节点A到节点D之间的有效路由,寻找到可用的路由就立即下发路由修改信息到相应的节点,同时更新其内部的实时链路负载表。

通过这种预测切换与范围锁定的方式,可以降低负载业务链路因为拓扑随机变化而导致的用户数据包丢失、业务链路通信质量下降的问题,同时也降低了因负载业务链路完全中断导致产生的控制开销,保障了用户服务质量。

3 仿真验证

首先对模拟的网络环境进行简要介绍,然后使用OPNET14.5软件进行仿真,最后比较分析优化链路状态路由(Optimized Link State Routing,OLSR)网络、SDN、AODV网络和NC-SDN的初始建网时间、周期性组网开销和丢包率等性能指标。

3.1 仿真场景及参数

仿真场景设置的范围大小是2 000 m×2 000 m,SDN控制器节点初始位于该范围中心,普通节点均匀分布在该范围内。重要的仿真参数设置如表2所示。

表2 主要仿真参数

3.2 仿真性能指标介绍

为验证NC-SDN对于改善无人机网络性能而发挥的实质性作用,接下来对性能指标进行如下分析。首先,比较分析各个网络在周期性组网过程中产生的控制开销;其次,比较分析各个网络在同步首发业务时的丢包率,进而反映网络初始建立路由的快慢;最后,比较分析各个网络在持续运行业务时的丢包率,进而反映链路的稳定性和自适应性。

3.3 仿真结果分析

图8描述了随着网络规模的扩大,不同的路由协议在周期性组网过程中产生的控制开销的变化情况。因为OLSR协议是主动式路由发现协议,且在维护网络拓扑时需要大量广播HELLO消息和TC消息,所以随着网络规模的增大,其对应的控制开销也显著增大。反之,因为AODV协议是按需路由协议,所以不需要主动广播组网控制信息。其只需要在有路由需求的情况下实时向网络请求关于目的节点的路由信息即可,所以AODV协议相对保持一种低组网开销的状态。而NC-SDN中的聚合消息自主上传机制利用每一个普通节点比对两类邻居信息,然后自主决策是否进行邻居信息的聚合上传,因此NC-SDN在周期性组网行为中产生的控制开销小于SDN。

图8 组网过程开销变化

图9描述了随着网络规模的扩大,不同的路由协议在相应的路由收敛时间内,同步首发业务产生的丢包率的变化情况。因为AODV协议在有路由需求时会以广播的方式逐跳查询路由信息并以反向路径的方式逐跳反馈路由信息到源节点,因此,随着网络规模的增大,路由信息索引范围与建立路由的时间明显增大。因为OLSR协议建立路由表需要邻居感知和TC消息广播等过程,而基于SDN架构的组网机制,在初次邻居感知之后SDN控制器就能够获得全局视野,所以反应速度快于OSLR协议。SDN与NC-SDN的网络初始化能力相近,但因为在NC-SDN中,是普通节点自主发起邻居感知,所以网络初始化速度略快于SDN。

图9 初始建网快慢程度

图10反映出了随着网络规模的扩大,不同的路由协议所支持的用户数据业务的丢包率的变化情况。因为AODV协议是被动式发现协议,随着网络规模的增大与数据业务的增多,大量的路由请求信息与路由反馈信息会在网络中形成泛洪,进而出现数据包冲突的现象,所以导致丢包率上升。因为OLSR协议是主动式发现协议,在付出开销的代价下周期性获得了全网拓扑,所以相比AODV协议,OLSR协议更能建立实时有效链路。但随着网络规模增大,OLSR网络中数据包的数量显著增大,导致发生无线碰撞的可能性上升,进而导致数据丢包率上升。相比于OLSR网络,SDN在网络规模增大的情况下,控制开销增加较低,且SDN网络中的普通节点在丢包情况下会主动请求SDN控制节点重新为数据包建立路由,降低了数据包丢失的概率。而NC-SDN中,由于SDN控制节点拥有监控、预测与切换机制,可以指导普通节点进一步减小断路造成的数据包丢失。

图10 业务丢包率变化

4 结 论

本文针对无人机网络中初始建网时间过长、周期性组网开销过大、业务链路不稳定以及用户数据业务传输可靠性低的问题,提出了NC-SDN路由解决方案。该方案中包含了聚合消息自主上传机制、HELLO消息接力修复机制以及增强链路稳定性机制。首先,通过在初始化网络时普通节点主动发起邻居感知、网络运行时普通节点自主决策上传,减少了初始建网时间和周期性组网开销;其次,通过普通节点自主分析无效未过期路由信息,接力式修复无效路由信息,减少了无效信息的冗余,降低了不可靠链路风险;最后,通过SDN控制器利用地理位置信息集中预测实时业务链路的中断情况,降低了链路中断与用户数据丢失的风险。仿真结果表明,NC-SDN路由解决方案在初始建网时间、周期性组网开销和丢包率等性能指标上的表现优于SDN、OLSR以及AODV。