基于多路由协议的动态可重构无线传感器网络测试平台

摘要

由于无线传感器网络(WSNs)复杂且难以部署和管理，因此需要适当的结构使其更加灵活。本文提出了一种可重构的支持动态协议切换的测试平台。该试验台中控制平面和数据平面的分离意味着路由配置和数据传输是独立的。一个可编程流表提供了试验台的能力，以动态切换协议。我们对实验台的各个方面进行了实验，分析了其功能和性能。实验结果表明，该传感器易于管理，支持多种协议。在此基础上，提出了在今后的实验工作中需要研究的一些重要问题。

1.介绍

无线传感器网络（WSN）的自组织和多跳功能允许节点快速互相通信。WSN中的节点与传统的网络节点不同，通常同时执行信息收集，信号处理和无线通信[1］．同时，构建了新的网络结构和算法，并在模拟器上进行了测试。仿真可以使无线传感器网络的研究快速而容易地进行，但由于缺乏真实的环境，可能提供不准确的结果。这激发了全球研究人员设计和实现了一些无线传感器网络试验台。然而，大多数测试平台集中于特定的应用程序或路由协议，导致缺乏抽象和重新配置功能，这使得策略更改和网络管理僵化。

网络重新配置允许操作员随时更改功能和更新策略。这些动态特性使网络具有灵活性和可扩展性。同时，由于无线传感器网络的资源限制，建立自适应的架构以降低部署和执行的复杂性是很重要的。一般来说，WSNs的重配置有三种形式:软件、数据路由和硬件[2］．硬件重新配置提供了传感器本身的灵活性，如活动或能源消耗。就功能而言，软件和协议重新配置可以在运行时支持各种场景。对于大多数网络，重构可以通过动态重编程来实现[3.那4.]或装载不同组件[5.］．

在这项研究中，设计了一种动态可重构的WSN测试用用，并且易于使用不同的路由协议进行管理和重新配置。目标焦点而不是简单地实现测试用，而不是简单地实现测试用型在软件和协议重新配置的体系结构上。该测试平台触及数据和路由控制流量（包括转发策略和协议重新配置）。在设计和实验中，数据和控制平面的分离可以有助于降低平台的复杂性并允许支持各种路由协议。同时，可编程流表数据平面使政策的实施快速和清晰。我们的工作提供了一种具体形式的方法和概念，用于建立试验台，并通过实验中的几种协议展示了其灵活性和可扩展性。

本文的其余部分组织如下。节2，我们描述这项工作的动机。本节将在框架和操作系统上介绍测试平台的架构概述3.．路由重构和数据处理的方法在本节中描述4.．部分5.描述为测试平台实现协议的一般方法。部分6.介绍了基于不同协议的实验，对实验台进行了评价。本节给出了结论和未来工作的方向7.．

2.动机

WSN测试台通常由一组传感器节点、用于测试台管理连接性的回调通道、用于数据记录的数据库以及部署在服务器上的管理或调试软件应用程序组成。以往的研究主要集中在规模、速度、移动性、网络架构等方面[6.］．例如,[7.]提出了第一个完全开发的WSN测试台，并为用户提供了一个开源工具来创建他们自己的实验。文献[8.]可以通过重新编程或暂停一些尘埃来支持不同的网络架构和拓扑。通过在一颗尘埃上部署两个不同的无线电，[9.[实现了一个异构和复杂的测试平台，以支持网络中的各种速度速率。对于高性能硬件和节点的大规模部署，研究人员使用了不同的测试平台来完成各种任务，例如系统设计，协议测试和性能评估。桌子1提供了一些重要试验台的主要特性的横向比较。

根据表1目前，WSN测试平台已被设计成实现各种功能、规模和通信层，但其中大多数都不具备支持多种动态协议测试的能力。尽管有一些测试平台可以支持不同的网络架构，但路由层仍然需要为每次实验重新配置甚至重新部署。值得一提的是，IOT-Lab提供了三层API:驱动程序、操作系统和通信库，允许用户定义自己的网络策略。然而，在下列要求方面，现有试验台存在着巨大的差异和挑战。

网络编程。多个应用程序或协议的支持：这是通过数据和控制平面之间的可编程硬件或新设计结构来实现的[4.那13］．然而，现有的WSN测试平台总是专注于特定的应用程序或场景，导致策略更改不兼容或功能过于简单。

包处理。数据流量和控制流量应该由不同的模块分开。在某些情况下，数据处理由执行基于流的包转发的节点组成，网络包含一个或多个控制器(或sink)管理所有其他节点。网络会向控制器发送未知的数据包或命令，避免过多的处理逻辑，降低了网络的复杂性。

多个应用程序．集中式网络控制提供了一种独立于应用程序的管理方法，使得普通节点不需要关心特定的进程。在传统网络设备中，硬件组件或软件模块的功能是针对已知的协议或应用场景设计的。但是，应用程序对节点是透明的，这意味着多个应用程序或协议可以混合在一起，而不会相互干扰。

另一个挑战是无线传感器网络的嵌入式操作系统不支持有效的动态重新配置。尽管有一些操作系统可以动态加载应用程序，如康明斯[14，它们总是缺少协议或算法的重新配置。无线传感器网络的任务调度通常是线性和单线程的，不区分不同需求的流量。这种高度耦合使得实时改变策略变得困难[15］．

上述挑战是WSNs固有的，并且深深植根于该体系结构。可重新配置的测试平台应该支持对应用程序和数据路由的运行时重新配置。虽然现有的体系结构支持一些设计良好的应用程序和算法，但它们仍然缺乏良好的抽象，使网络变得僵硬和无弹性。

3.试验台的结构和特点

本节提供了在真实硬件上实现所提议的测试平台的概述。文中描述了试验台的各种组件，包括控制工作站、OpenFlow控制器、节点编程器、传感器节点和一组通过有线连接收集运行数据的计算机。试验台的原理图如图所示1．

3．1.试验台框架和硬件

网络控制器如图所示1不同于原来的传感器网络中的接收器。它是管理整个网络的测试区域的一部分，而不仅仅是通信接口。在本设计中，每个传感器节点都可以配置为一个sink，这使得网络可以适应一些具有一个或多个数据中心的路由协议，如定向扩散(DD)协议[16和低能量自适应聚类层次(LEACH)协议[17］．试验台的一个问题涉及传感器节点的数据收集。大多数WSN测试台通过无线信道传输测试台元数据(测试台配置命令、节点内部数据、统计信息等)，这占用了节点大量的信道资源和内存空间，导致测试运行时延迟或丢失率较高。因此，我们设置了一组数据终端，通过UART (universal asynchronous receiver/transmitter，通用异步接收/发送器)或USB (universal serial bus，通用串行总线)端口实时采集传感器数据。对于传感器节点，UART/USB传输比射频(RF)所需计算资源少。

在硬件方面，试验台由美国德州仪器公司开发的CC2530和CC2531片上系统(SoC)组成。CC2530基于一个增强的8051核心，使用标准8051指令集，可以在32 KHz、16 MHz或32 MHz下工作，以支持不同的功率模式(全功能或超低功率模式)。它有一个8kb的静态随机访问存储器(SRAM)和一个可编程的Flash (32/64/128/ 256kb)，以支持嵌入式操作系统。CC2530支持多种串行接口，包括串行外围接口(SPI)和UART (CC2531支持USB控制)，并具有2.4 GHz频段的IEEE 802.15.4/ZigBee射频收发器。在我们的测试平台的上下文中，控制器构建在CC2531上，传感器节点构建在CC2530或CC2531上。两种类型的节点都可以通过USB接口供电。此外，为方便试验台部署，本工作中CC2530将在需要时配备三节AA电池。

３．２．试验台操作系统

所有节点都运行Tinyos [18，一种专门用于无线传感器网络的嵌入式操作系统。TinyOS是一种基于组件的操作系统，提供了一种快速的系统更新方法，减少了模块之间的耦合。在该工作中，通过多个组件将控制平面和数据平面分开，完成不同的功能，如数据传输、路由配置和用户应用等。通过覆盖硬件接口，将TinyOS移植到CC2530。数字2呈现系统的组件图。该系统利用两个重要组成部分，“SwitchPanelc”和“ControlPanelc”，实现不同的网络策略。组件“SwitchPanelc”提供一组操作，该操作存储在组件“ActionC”中以修改流表。组件“ControlPanelc”是网络控制平面的一部分（控制器的系统结构类似于传感器节点的系统结构，但其功能更复杂），其处理和存储网络控制中使用的信息。组件“BasicRoutingc”由“ControlPanelc”维护，并且大多数路由策略存储在此组件中。组件“RadiomanagerC”提供了一种用于直接访问数据传输和接收的公共接口。使用这种独立的访问控制，路由信息可以与一般数据分开，这使得动态策略变化可能。

4.重新配置内核

在软件和协议层面，开发了软件定义网络(SDN)，以增强有线网络的可编程性和灵活性[19］．OpenFlow作为SDN的实现，其出发点是让研究人员能够方便地在校园网上开发和验证新的网络架构和协议。OpenFlow通过分离控制平面和数据平面，为不同的应用程序、协议和网络管理系统提供了一个简单的实现。同时，OpenFlow允许管理员使用标准化的接口来管理网络和更改策略。对于无线传感器网络，SDN提供了一种动态重构网络的方法，无需重新编程或重新部署[20.］．

在传统网络中，动态协议重新配置由软件和灵活协议栈实现。需要处理许多网络参数，这与WSN的需求冲突。最近的工作已经证明了传感器网络中SDN的潜力，并讨论了关于实施的基本考虑因素，包括体系结构和部署[21那22］．

与一般基于OpenFlow的网络平台相比，无线传感器网络平台在组网方式、拓扑结构、传输速率、容错性等方面具有不同的特点[23］．因此，无线传感器网络中的一个节点必须能够支持多种网络层功能。因此，将流的概念引入到无线传感器网络中，简化了试验台的结构。这应该由几个部分组成，如图所示3.．在本文中，控制平面和数据平面是分离的，不仅用于未知报文和流表的配置，而且用于路由策略的管理。这种分离允许从数据传输中提取路由信息，并减少两个平面的耦合。

4．1.基本路由控制平面

对于大多数路由协议，一些定义的路由策略需要不同节点的合作或由特定节点(即汇聚或簇头)控制。但这可能导致路由信息交换和数据转发之间存在高耦合关系。为了将路由操作与数据处理分离，控制平面通过管理路由操作来配置当前网络状态，如MAC学习、聚类、信号感知拓扑发现等。这些操作独立于数据平面的转发策略，尽管它们对于每个节点总是不同的。特别是图中虚线标记的控制平面3.将路由消息从数据流中分离出来，即控制平面不仅可以处理未知报文，还可以处理路由策略。

4．2．可编程的流程表

在数据平面，所有的报文都作为流进行处理。流的转发策略由a控制流表，它是由OpenFlow控制器定义的。表中的每个条目或流条目包含三个基本字段:一组与流相关的规则，当流与条目匹配时可以执行的一个或多个操作，以及关于条目的一些统计信息。条目的内容依赖于网络中正在运行的协议，并且可以在必要时对协议进行更新以适应协议的变化。此外，由于WSNs的特殊性，即使是路由节点，也必须对节点本身产生的数据进行合理的处理。因此，WSN中的节点和流表必须具有处理本地生成数据的能力。这可以通过在流表中添加一个额外的流项来解决。

4．3．行动和规则小姐

每个流入口都有一个行动领域，它包含一个或多个可以应用于属于流的数据包的操作。我们认为有两种行为:需要的行动和可选操作．流表必须实现所需要的动作，如丢弃、广播、转发和上传到本地网络栈。可选操作可以增强表的功能，包括修改特定的数据包字段、向控制器发送请求或执行其他优化操作。对于特定的网络角色或需求(例如，数据收集或路由)，一个节点的可选操作可能与其他节点的不同。

在传统的OpenFlow中，如果一个数据包不能匹配到任何流入口，那么它将被丢弃小姐规则或上传到控制器。与OpenFlow中的流条目相比，我们工作中的miss规则包含一个或多个与处理数据包相关的操作:例如删除它、修改(包括创建)流条目，或将其上传到控制器。与其他流条目一样，可以针对不同的协议策略独立地更新错过规则。

5.控制面和数据面分离的协议实现

数字4.说明了一个传感器节点中控制平面和数据平面之间的关系。如前所述，协议将在这两个平面上配置，因此设计可以分为两部分(路由操作和流表部分)。为了实现协议的动态切换，流表和基本路由控制必须独立配置。与传统的无线网络协议不同，无线传感器网络中的一些协议在启动路由算法之前必须完成其他任务，如聚类、时间同步和能量感知。因此，我们可以在控制平面指定一个路由操作顺序来实现这些需要的任务。这些操作可以随机组合在一起(除非控制面不需要进行泛洪等操作)，以支持不同的路由协议。桌子2给出了一些不同操作序列的例子。

5.1。网络中的数据流

数字5.说明网络处理数据包的方式。对于接收到的数据包，处理过程可以看作是一个动作的函数，它使用数据包本身和匹配的流入口作为参数。因此，当该函数转发或接收数据包时，可以应用以下处理公式: 其中数据包、匹配的流表项和动作用 那 那和功能 ．由将附加到下一跳或本地节点。因此，通过递归应用公式(1)：

此外，不属于任何流入口的数据包将被miss规则处理，如下所示: 在哪里如果miss规则涉及丢弃数据包或其他操作，也可以是本地节点本身。

5.2。报文处理流程

转发策略作为流表中的一组流项实现。流条目决定如何处理数据包，以及关于节点本身的其他操作。在部署协议之前，必须配置流项。流输入中的规则是数据流字段必须匹配的一些条件[24］．每个字段由两个阈值(上阈值和下阈值)给出，以维持匹配策略。如果流中的每个字段的值位于这两个阈值之间，则将流视为与特定流入口的匹配。桌子3.给出了一些不同操作序列的例子。我们提取每个数据包的流掩码，并使用生成的代码通过算法判断动作的匹配结果1．

当网络运行时，这些操作将在适当的时间执行(即集群操作应该在每个运行周期之前执行)。为了避免一个流与几个条目匹配的情况，我们认为表中的每个条目都有一个优先级。此外，还有一个字段叫做流的面具可以决定应该将哪个字段添加到流中，从而减少流入口的长度，并使对每个字段的检查变得不必要。此外，协议可以通过掩码来区分。当网络中运行多个协议时，由于协议的需求，不同的流可能具有相同的掩码。因此，如果有必要，将有另一个领域与这些分离。GetFlowMask函数用于实现流的屏蔽，GetMatchField函数用于定位第一个匹配字段。掩码的每个有效部分代表一个特定的匹配字段，该字段将由CheckMatchField函数检查。如果所有匹配字段都符合流条目，那么将执行相应的操作，其他条目将不再被检查。当没有条目与当前流匹配时，将应用miss规则。

6.实验和评价

从传动效率、流台处理能力、能耗等方面评价了该试验台的主要可行性。通过填充不同参数的流表，对不同的路由协议进行测试，以评估测试平台的有效性和正确性。

6．1.实验装置

我们实验中的应用场景由一组传感器节点和计算机组成。数字6.演示了实验室中包含16个传感器的试验台的一小部分。在该场景中，传感器数据和系统信息由连接到骨干以太网的终端计算机采集，便于试验台上传数据和接收命令。一个接线集线器连接到控制器上，以对传感器节点进行整体编程。加载测试台后，所有节点都可以直接由终端计算机接管。

6.2。流程表的统计

为了评估一个通用场景下的有效性，在该平台上传输并应用了不同的协议，定义了网络传输效率(NTE)和平均匹配数(AMN)两个指标。当协议运行时，会产生一些冗余包，如信标;因此，NTE描述的是网络实际需要的真实数据的比例，反映了通信(包括两个平面)的效率。AMN描述了被流表处理的数据包的平均检索时间，可以用来评估协议的处理速度和能力。数字7.给出了我们在不同协议(泛洪，LEACH和定向扩散)下的实验结果。给出了每种协议的预期表现形式，LEACH表示最佳性能(高NTE和低AMN值)。当网络为每次通信重新创建路由时，该值可以降低到61.90%，尽管带有固定路径的DD可以达到最高的NTE值(92.03%)。该测试证明了基于OpenFlow的测试平台可以支持一种或多种协议，并进行了横向比较。

6.3。能源消耗

协议、拓扑、物理环境等都会影响节点乃至整个网络的能耗。从图8.，给出了各协议和流表内容对网络能耗的影响。在相同的拓扑结构和通信频率下，由于无线传感器网络的低功耗，这些协议之间的能量变化趋势是隐式的。但是，平均能耗变化明显。同时,因为一个流表的配置决定如何处理流,一些能源密集型的行动(如转发或上传数据包控制器)可以确定能源消耗,这意味着有一个新颖的方法来减少能源消耗的控制和配置一个流表的操作。

6.4。控制和数据平面的吞吐量

一般情况下，通过控制平面实现网络管理流和数据传输的分离。此外，在这个测试台上，它可以处理诸如流表配置、集群和路由请求等路由操作。为了说明控制平面和数据平面分离的效果，在实验台上对两个不同协议的平面的吞吐量进行了评估。数字9.给出了每个协议在500秒内的统计数据。在保持相同的数据生成速率的情况下，泛洪协议在数据平面上实现了比其他协议更高的吞吐量。这是因为在传输过程中存在过多的冗余包。对于DD和D具有路由维护的协议，冗余包的数量远低于泛洪。在控制平面上，LEACH协议为集群操作实现了最高的吞吐量，但消耗了大量的网络资源。事实上，分层路由协议(即LEACH)比平面路由协议消耗更多的传输控制流。在本次实验中，实验台将两个平面进行了清晰的分离，并用OpenFlow体现了不同协议的各自特点。

6.5。不同协议的动态重配置

虽然网络中的大多数节点具有相同的结构和功能，但在流表中给出不同的配置时，它们会表现出极其不同的传输策略。一个节点发送(或接收)的所有数据包都要经过流表的处理，这会在瞬间影响传输的性能。协议切换可以通过用新内容更新一个或多个流表来完成。将协议部署到一个流表的开销如表中所示4.(表中不包含额外的网络流量)。在图10时，在切换运行协议时测试网络流量。在协议配置过程中，测试平台记录了网络负载。切换到DD协议会消耗明显的网络流量来更新流表。此外，随着网络规模的增长，不适当的协议选择可能会导致网络负载的增加。因此，基于OpenFlow的实验台不仅可以在不重新部署整个网络的情况下动态切换路由协议，而且可以选择最优的协议，减少网络负载。

7.结论与未来工作

本文建立了一个动态可重构的无线传感器网络测试平台。为了实现基于软件的实时重构方法，提出了一种基于OpenFlow的新架构，以独立于协议的方式构造数据平面。实验表明，该试验台通过分离控制面和数据面，降低了网络管理和更新的复杂性。用户可以通过简单地配置不同的行为来轻松地管理网络，而无需重新部署整个网络。通过可编程流表实现协议间的动态切换，使网络重构更快、更方便。此外，可以明显看出，大规模的无线传感器网络将应用于不同的路由需求场景。因此，当规模不断扩大时，这种重新配置的能力可以支持WSN虚拟化，并可用于云服务的多租户架构。

然而，仍有一些问题需要调查。在OpenFlow中，控制器应该支持网络处理未知流或更新流表的额外功能。然而，在一些拓扑快速变化的网络中，控制器无法实时准确地处理所有消息。有时这可能导致性能下降，因为部署和网络拓扑的不确定性。此外，很难通过一种通用的流表配置方法来部署所有协议。例如，分层协议和平面协议的组网过程差异很大，这可能会导致动态协议交换的巨大开销。

在今后的工作中，可以通过三个部分来解决这些问题。首先，可以在网络上应用一个控制器组，而不是一个控制器，这样可以将指定的流量或协议分配给不同的控制器，增强控制平面的功能，优化路由操作。其次，通过分析和实验，提取不同协议间传输策略的共同特征，从而简化包处理的流表(包括流动作)。最后提出了一些搜索算法，降低了流表匹配的代价。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

基金资助:福建省科技计划重点项目(no.);福建省泉州市科技计划重点项目(no. 2014H0030);福建省自然科学基金资助项目(2014Z102);(2017J01776)，福建省省属高校科研专项资助项目(no. 2017J01776);泉州师范学院青年博士项目(no. JK2015037);2015 qbkj02。

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