一种工业物联网多路径可靠路由机制

曹 健,王兴伟,黄 敏,易 波

1(东北大学 计算机科学与工程学院,沈阳 110000)2(北华大学 计算机科学技术学院,吉林 吉林 132300)3(东北大学 过程工业综合自动化国家重点实验室,沈阳 110000)4(东北大学 信息科学与工程学院,沈阳 110000) E-mail：wangxw@mail.neu.edu.cn

1 引 言

工业物联网(Industrial Internet of Things,IIoT)是物联网在工业领域的应用,它将工业资产连接起来,在工业环境中收集和处理数据,实现工业监控、自动化和控制等智能操作[1].工业物联网能有效提高生产效率、降低生产成本,它促进了工业的转型升级,被认为是未来工业系统的基础[2,3].由于工业环境中存在链路质量不稳定、传输信息多样化等特点,及时、可靠、高效地收集和处理来自各种设备的数据成为了工业物联网实用化的基础.

多路径路由协议在源节点和目的节点之间使用多条路径传输数据,它能够增强网络的容错能力、均衡网络的负载,它是实现可靠数据传输的一项关键技术.在多路径路由中建立的多条路径可以是链路不相交、节点不相交或相互重叠的.文献[4]提出了一种基于局部信息的链路不相交多路径路由,它使用主路径来传输数据,当主路径出现故障时,才能使用备用路径,该算法虽然实现了网络负载均衡,并没有有效延长网络生存期.文献[5]提出了基于分簇结构的多路径路由协议,利用分簇和多路径技术降低网络能耗,提高网络可靠性.文献[6]提出了基于查询的多路径路由协议,该协议试图建立节点不相交的路径,最大限度地减少干扰带来的负面影响.文献[7]提出了一种水声传感器网络信道感知的多路径自适应路由协议,该协议基于分布式强化学习框架在单路径路由和多路径路由之间进行切换,有效降低了网络的能耗和丢包率.文献[8]基于无线HART标准提出了能量均衡的图路由算法,综合节点的能量、流量负载和链路传输能耗为节点分配子图,实现了基于图路由的节点数据多路径传输,提高了网络的能量使用效率.上述研究给本文提供了较好的参考,它们从降低网络能耗、均衡网络负载和提高网络可靠性等方面尽最大限度满足工业领域应用的通信需求,但无法对数据传输提供确定的可靠性保障,也很难根据网络全局的实时状态信息及时调整不同类型数据流的路由策略.

软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)被认为是物联网中的一项核心技术[9],它分离了控制平面和数据平面,控制平面通过集中式的管理能获得全局的网络拓扑图并执行路由决策.当网络流量发生变化时,SDN能动态分配网络资源,使得网络变得更加简单、动态和灵活[10,11].文献[12] 提出的 OpenFlow 是 SDN 最初的原型实现,它主要应用在大学校园和互联网的骨干网中,由 OpenFlow交换机和控制器两部分组成.文献[13,14]分别面向无线传感器网络和物联网提出了融合不同信息技术的新框架,并给出了相应的应用.文献[11] 提出了软件定义的多跳无线网络路由协议,控制器拥有网络的全局视图,能为节点提供单路径或多路径路由,当控制器中节点的剩余能量信息更新时,协议能根据最新的能量信息生成最短路径.但该协议不能根据应用需求调整源和目的节点间路径的数量,无法自适应的满足工业数据传输的可靠性需求.

为此,本文结合 SDN 数据平面和控制平面分离的思想,设计了新型的工业物联网模型,基于该模型提出工业物联网多路径可靠路由机制(Multi-Path Reliable Routing Mechanism,MPR2M),控制器根据工业应用对可靠性的需求以及收集到的网络状态信息,采用可靠性模型自适应地计算源和目标节点之间最优的路径及路径数量,在满足工业数据可靠传输需求的同时,提高了网络的扩展性和灵活性.

2 系统模型

2.1 网络模型

图1 工业物联网模型Fig.1 Industrial Internet of Things model

2.2 多路径可靠性评估模型

为了保证数据传输的可靠性,本文需要对源节点到目的节点之间路径的可靠性进行评估,根据评估结果确定满足应用需求的最优路径及路径数量.影响数据传输可靠性的因素包括相邻交换节点间的链路质量、数据的重传次数以及冗余的路径数量等[15].

(1)

(2)

其中,nmax为节点间的最大重传次数.

(3)

其中,Pi[i+1]为相邻节点间传输数据成功的概率.

在源节点和目的节点间采用多条路径传输数据可以有效提高工业物联网的可靠性,假设数据报文经过R条路径传输成功的概率P为：

(4)

3 MPR2M路由机制

MPR2M路由机制由“网络拓扑发现”、“路由计算”、“数据传输”和“信息统计”4个部分组成.控制器周期性的收集网络中节点和链路状态信息,建立全局的网络拓扑图;当有交换节点向控制器请求传输路径时,控制器按传输数据的类型采取不同的路由策略,并根据可靠性评估模型计算满足工业应用需求的多条路径,接下来将路径信息发送给源交换节点;源交换节点将数据传输到目的节点以后,需要统计报文接收的数量和跳数等信息并反馈给控制器,从而为后续的路由决策提供支持.

3.1 网络拓扑发现

本文设计的网络拓扑发现过程分为初始化阶段的拓扑发现和网络运行时拓扑发现,二者的核心思想都是通过发送广播探测报文,获取网络中节点和链路的实时状态信息,建立网络拓扑结构.

1)初始阶段拓扑发现

在网络初始化阶段,控制器为了获取网络中节点和链路质量信息需要向网络中的所有节点广播探测报文.网络中的交换节点和感知节点在接收到探测报文以后采取不同的处理办法.

2)运行阶段拓扑发现

在网络运行过程中,节点的移动或者失效可能带来网络拓扑结构的改变,交换节点需要周期性的向邻居节点发送Hello报文,更新邻居节点和链路质量信息,并将更新的信息发送给控制器.控制器接收到更新报文以后,更新节点和链路的状态信息,重新构建网络拓扑图.

3.2 路由计算

本文将网络中传输的数据分为突发性数据和周期性数据两种,突发性数据对传输的可靠性要求非常高,在网络中占有的比例较小;周期性数据对可靠性的要求不是特别严格,在网络中占有较大的比例.本节将分别针对两种类型数据设计相应的路由策略,以使控制器根据数据类型执行相应的路由决策.

1)突发性数据路由策略

源交换节点通过多条路径将突发性数据发送到目的节点.当交换节点有数据发送时,首先查询路由表中是否有与数据传输需求相匹配的多条路径,如果有则直接按照记录的路径转发数据;否则,向控制器发送路径请求.

(5)

接下来,控制器根据公式(4)计算已选所有路径的可靠性,判断已有路径的可靠性是否满足数据传输需求,如果满足需求,则完成路径的选取;否则,根据公式(6)对最近选取路径的链路成本进行调整(具体方法在下文中详述),继续使用Dijkstra算法计算新的路径.重复此步骤,如果控制器选取的路径数量达到最大值Rmax时,仍无法满足数据传输的可靠性需求,则启动5G移动通信技术,交换节点利用5G移动通信网络将数据直接发送给接入节点,多路径生成过程如图2所示.

为了在不影响网络连通性的情况下提高数据传输的可靠性,本文在选取新路径时要尽量避免其与已选路径有相同链路,这就需要对已选路径的链路成本进行调整,通过增加链路的成本,使其在新路径的选取中不占优势,链路成本调整公式如式(6)所示：

c′(i,j)=c(i,j)+φ×Rand(0,c(i,j)).

(6)

其中,Rand(0,c(i,j))表示从0到c(i,j)的一个随机值,φ为调整因子,φ∈{1,2,3}.

图2 多路径生成流程图Fig.2 Multipath routing generation flow chart

假设源和目的节点间的两条路径分别为Ll和Ls,定义两条路径不相交值为D(Ll,Ls),其计算如公式(7)所示,当D(Ll,Ls)的值为1时,两条路径不相交.

(7)

第1次链路成本调整时,φ的取值为1,控制器以第1次调整后的链路成本c′(i,j)为度量,选取新路径Li,根据公式(7)判断新选取的路径Li与已选路径Ls是否相交,若不相交,则新路径选择成功;否则,将φ的值增1,继续计算新路径,当φ的值增加到3时,仍无法找到不相交的新路径,则选择不相交值最大的路径为新路径.

2)周期性数据路由策略

当交换节点要发送周期性数据时,首先查询路由表中是否有到达目的节点的路径,如果有路径则直接按照记录的路径转发数据;否则,向控制器发送路径请求.

控制器根据公式(8)计算交换节点与候选的下一跳节点间的链路成本：

(8)

3.3 数据传输

源交换节点接收到控制器的路由反馈以后,首先将控制器计算的路径信息以及其能满足的可靠性Preq加入到路由表中,Preq的取值范围为[0,1].接下来,将到达目的节点的路径信息封装在报文首部,按照路径信息向目的节点发送数据.突发性数据采用多条路径同时传输数据,相邻节点间采用重传机制,最大重传次数为nmax;周期性数据采用单条路径传输数据,中间节点接收到报文以后,记录其到接入节点的路径,当下次有相同类型数据传输时,可以采用保存的路径传输数据.数据报文到达接入节点以后,要进行信息统计.

3.4 信息统计

为了及时优化网络性能,控制器需要掌握网络中发送的报文数量、节点的负载和剩余能量、链路质量等信息.接入节点在接收到报文以后,需要统计报文跳数、发送时间、接收时间、中继节点列表等信息,并将统计结果周期的发送给控制器.控制器在接收到接入节点的统计信息以后,可以估算出路径上所有节点的剩余能量和负载,不需要经过频繁的网络拓扑发现就可以掌握网络中节点和链路状态信息,从而为后续的路由决策提供基础.

4 仿真实验

本文采用OMNET++仿真平台对MPR2M的性能进行仿真实验,实验参数设置如表1所示.首先对参数q取值进行灵敏度分析,接下来主要从端到端的时延、可靠性、网络的扩展性等方面评估MPR2M的性能,并与图路由(graph routing,GR)进行比较.图路由是当前工业物联网中最常用的路由策略,在网络数据传输方面具有较高的可靠性.

表1 实验参数设置Table 1 Parameter configurations of simulation

为了研究参数q的取值对路径可靠性的影响,参考文献[15]中路径和链路质量设置,在源和目的节点之间选取4条独立的路径,每条路径分别有5、5、4和3条链路,一跳链路的传输成功率如表2所示.本文分别对4条路径做灵敏度分析,灵敏度的平均值如图3所示.q的取值在0.5-1之间时,各点处灵敏度平均值均大于1,说明当参数q的取值增加1%时,会引起路径可靠性增加1.26%以上,即路径可靠性对参数q的取值相对敏感.尤其是当q在[0.72,0.95]范围内变化时,参数q的取值增加1%,路径的可靠性会增加1.4%以上,引起路径可靠性产生较大的变化,表明在这个范围内,参数q对路径可靠性的影响更显著.

表2 一跳链路传输成功率Table 2 PDR value for each hop

如图4所示,当应用的可靠性需求分别为0.99和0.999时,MPR2M较好地满足了应用的可靠性需求.MPR2M能够根据应用的需求在源和目的节点之间自适应地建立多条路径,通过多条路径并行使用来提高工业数据传输的可靠性.随着网络中交换节点数量的增加,有更多的节点参与数据转发,MPR2M可以选择链路质量更好的路径传输数据,因此网络的可靠性逐渐提高.

图4 不同应用需求下的可靠性比较Fig. 4 Reliability under different requirements

MPR2M在传输周期性数据和突发性数据时,采用不同的路由策略,因此在端到端可靠性和时延比较实验中对两种类型的数据分别进行评价.如图5所示,MPR2M突发数据的可靠性最高,MPR2M周期数据的可靠性次之,图路由的可靠性最低.MPR2M针对突发性数据的路由策略对应用的可靠性需求具有自适应能力,它能在源和目的节点之间建立满足应用需求的多条路径,有效提高了网络的可靠性.MPR2M针对周期性数据的路由策略能感知网络状态的实时变化,根据最新的网络状态制定路由决策,因此它的可靠性较高.图路由根据网络初始的链路质量制定路由决策,对网络中节点和链路实时状态的掌控能力较差,部分链路质量的变化会降低路径的可靠性.

图5 端到端可靠性比较Fig.5 Comparison of end-to-end reliability

端到端时延随仿真时间的变化如图6所示,MPR2M突发性数据的平均端到端时延最高,MPR2M周期性数据时延次之,图路由的时延最短.MPR2M为了保障突发性数据的送达率,在相邻节点间采用重传机制,增加了数据传输时延.MPR2M中交换节点与控制器间的交互占用了部分网络资源,导致数据通信的可用网络资源减少,MPR2M周期性数据的端到端时延略高于图路由.由于图路由不需要周期性对网络进行探测,网络中的数据通信可以获得更多的网络资源,进而具有较低的通信时延.

图6 端到端时延比较Fig.6 Comparison of end-to-end delay

图7 网络的扩展性比较Fig.7 Comparison of network scalability

本文通过增加网络中节点数量产生的控制报文数量来反映网络的可扩展性.MPR2M采用分级结构,新增加的节点大多数只需要将采集的信息发送给上级交换节点转发,不需要维护路由消息,少数新增的节点会与控制器交互,进行数据报文的转发.如图7所示,随着网络中节点数量的增加,MPR2M新增加的控制报文数量平缓上升.图路由中所有新增节点都需要参与数据报文的转发,随着节点数量的增加,网络中控制报文数量增加明显,带来了较大的网络开销.

5 结 语

本文提出了一种工业物联网多路径可靠路由机制MPR2M.根据全局的网络视图和工业应用对可靠性的不同需求,设计了相应的路由策略,并使用可靠性评估模型计算源和目的节点之间最优的路径数量,满足了工业数据可靠传输需求,提高了网络的扩展性和灵活性.仿真实验表明该路由机制在满足工业数据传输的可靠性、提高网络可扩展性方面表现出较好的性能.接下来,将在工业物联网模型的基础上,设计安全驱动的路由机制,为工业数据传输提供支持.