基于SMIoT的软件定义移动自组织物联网组网机制研究

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（Internet of Things，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（Software Defined Network，SDN）为其提供集中管控和应用开发，移动自组织网络（Mobile Ad Hoe Network，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-Defined Mobile Ad Hoc IoT，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（Internet Control Message Protocol，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IEEE 802.11（又称WiFi）网络接口卡（Network Interface Card，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协议栈的应用可以很容易地移植到MANET节点上。在基于IP的摄像机应用场景中，这是非常有用的。同时，每个MANET节点都需要有两层网络结构，即MANET底层网络和SDN覆盖网络，可是，MANET底层没有用来连接的网络基础设施，因此，MANET节点的无线网卡NIC wlan 0应该是在Ad Hoc模式下工作。由于多个对等网络协议（如AODV，DSDV，DSR等）引入了CSMA/CA类或RTS/CTS类机制，使得MAC层具有类似于WiFi的机制，因此，本团队设计了一种适用于分布式MANET底层网络的WiFi—IP—Ad Hoc体系结构，如图3所示。

2.2  MANET工作流程

为搭建一个软件定义的移动自组织物联网应用平台，本设计目前由3个树莓派搭建一个小型的SDN + MANET的网络环境，在此基础上可以轻松拓展更多的MANET节点。图4给出了MANET节点的工作流程。

Research on networking mechanism of mobile self-organizing

Internet of Things based on SMIoT

Han Yujuan

（School of Computer Science and Technology， Southwest Minzu University， Chengdu 610225， China）

Abstract：The article fully combines the advantages of SDN centralized control， flexible MANET distribution， IoT intelligent perception， and adopts the idea of SDN MANET IoT to realize heterogeneous network fusion networking to meet the needs of smart inspection. Using the high programmable raspberry pie smart car as the IoT hardware platform， the distributed MANET network is built to realize the self-organizing network of the smart car cluster. At the same time， in order to realize the smart inspection and mutual cooperation， the OVS switch is transplanted to the raspberry pie platform， and the distributed intelligent car cluster is based on SDN by using the extended OpenFlow protocol. Unified management of the physical perception of the cluster， mobile monitoring ability and data forwarding ability， and then build a SMIoT.

Key words：software defined network; mobile Ad Hoe network; Internet of Things