摘  要： 物聯(lián)網(wǎng)開放環(huán)境下有更加面向服務(wù)的趨勢，應(yīng)用層對于感知層的靈活控制需求日益凸顯，傳統(tǒng)的上傳下達(dá)的網(wǎng)關(guān)已經(jīng)很難適應(yīng)。著眼于一種基于SDN-OpenFlow理念的傳感網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，根據(jù)開放環(huán)境及OpenFlow的不足進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，并提出針對數(shù)據(jù)信息的封裝格式，以適應(yīng)網(wǎng)關(guān)的流表處理機(jī)制。進(jìn)而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層可以通過控制通道對數(shù)據(jù)通道進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)對傳感網(wǎng)的開放環(huán)境的適應(yīng)和對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)層的各種服務(wù)進(jìn)行更好的支撐。此外設(shè)計(jì)主要還包括對網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)分析、軟硬件實(shí)現(xiàn)等。最后分別從功能性和穩(wěn)定性兩個方面驗(yàn)證了系統(tǒng)的有益特性。

　　關(guān)鍵詞： 傳感網(wǎng)關(guān)；OpenFlow；數(shù)據(jù)封裝

0 引言

　　物聯(lián)網(wǎng)，也即萬物互聯(lián)技術(shù)，而物聯(lián)網(wǎng)的開放環(huán)境則是指網(wǎng)絡(luò)體系更加面向服務(wù)，包括整個網(wǎng)絡(luò)的資源整合，提供給用戶公共的資源公開的信息、多元和個性化的業(yè)務(wù)等[1]。本文主要著眼于傳感網(wǎng)所在的感知層的網(wǎng)關(guān)設(shè)備展開設(shè)計(jì)的論述。在物聯(lián)網(wǎng)開放環(huán)境中，面向服務(wù)的應(yīng)用層對于底層數(shù)據(jù)平面的控制需求愈加強(qiáng)烈，網(wǎng)關(guān)的角色不再是上傳下達(dá)的郵差[2-3]。而且傳感網(wǎng)的應(yīng)用囊括各種日常和惡劣場景：大面積信息感知、傳感節(jié)點(diǎn)動態(tài)組網(wǎng)、傳感網(wǎng)拓?fù)涠嘧兊?，在這些情況下傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)已經(jīng)很難適應(yīng)了。而目前在對網(wǎng)關(guān)設(shè)備的研究上主要分為如下幾個方向：（1）對網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)；（2）對網(wǎng)關(guān)的工作協(xié)議和軟件的研究[4]；（3）對網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能和屬性的研究；（4）具體場景型網(wǎng)關(guān)的研究。物聯(lián)網(wǎng)開放環(huán)境對網(wǎng)關(guān)提出了更高的要求[5]：（1）對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的控制開放和對感知層的感知開放；（2）對網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性；（3）豐富的業(yè)務(wù)的開展，對于控制管理的要求也更加突出。

　　本文將在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入網(wǎng)關(guān)設(shè)備，參考OpenFlow協(xié)議，并將其引入網(wǎng)關(guān)設(shè)備與平臺之間的通信過程[6]；設(shè)計(jì)一種對感知層傳感網(wǎng)信息的封裝和通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對各種傳感網(wǎng)協(xié)議的統(tǒng)一適配，并給出了網(wǎng)關(guān)的實(shí)力實(shí)現(xiàn)方式。

1 網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

　　傳統(tǒng)的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)往往接口單一、邏輯固化、數(shù)據(jù)操作簡單、缺乏面向上層后臺部分的接口和支撐，已經(jīng)很難滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對底層的信息感知的需求。將在軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入網(wǎng)關(guān)設(shè)備，參考OpenFlow協(xié)議，并將其引入網(wǎng)關(guān)設(shè)備與平臺之間的通信過程，實(shí)現(xiàn)平臺層直接處理原生的感知信息。設(shè)計(jì)一種對感知層傳感網(wǎng)信息的封裝和通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對各種傳感網(wǎng)協(xié)議的統(tǒng)一適配。

　　1.1 SDN-OpenFlow的引入

　　將物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境應(yīng)用層的數(shù)據(jù)平臺類比SDN網(wǎng)絡(luò)控制器，將網(wǎng)關(guān)設(shè)備類比SDN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)設(shè)備，從而參考OpenFlow來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺和網(wǎng)關(guān)之間的通信。

　　OpenFlow協(xié)議針對的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備往往配有多個以太網(wǎng)口[7-8]，為了將OpenFlow協(xié)議的理念融入傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中，就需要針對網(wǎng)關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)對協(xié)議進(jìn)行一些改良。

　　（1）根據(jù)地理位置和平臺的信息分割區(qū)域進(jìn)行流表瘦身。傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的通信主要是傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與上層數(shù)據(jù)平臺的通信，不同部署區(qū)的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間很少會有通信需求。這個特點(diǎn)為數(shù)據(jù)流區(qū)域的劃分提供了可能。將整個物聯(lián)網(wǎng)開放環(huán)境下的感知層的傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)流區(qū)域切割，不同區(qū)域之間的網(wǎng)關(guān)設(shè)備沒有直接通信的需求，流表幾乎沒有關(guān)聯(lián)，可以很好地達(dá)到流表瘦身的效果。當(dāng)不同區(qū)域的網(wǎng)關(guān)或者傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)通信需求時，則要借助上層的數(shù)據(jù)平臺。

　?。?）將流水線結(jié)構(gòu)的流表改良為索引式結(jié)構(gòu)。OpenFlow協(xié)議中的流水線式的流表匹配操作往往需要經(jīng)歷多個流表才能查詢到。網(wǎng)關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)流往往是固定的幾個類別，比如上行和下行數(shù)據(jù)流，因此可以按照這個特點(diǎn)改變原有的流水線式的流表組織，使用索引式流表組織使得每種數(shù)據(jù)流使用單獨(dú)的流表。每個索引對應(yīng)的流表可以是異構(gòu)的，可以將最常用的表項(xiàng)放在一張表，將支持?jǐn)U展功能的擁有更細(xì)顆粒度的表項(xiàng)放在另外一張索引對應(yīng)的流表中。流表組織結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中按照數(shù)據(jù)流的類型（諸如版本號、上下行數(shù)據(jù)等）來作為區(qū)分的種類，只作為示例。

　　在N張表中，每張表有a個表項(xiàng)的情況下，級聯(lián)的流表查找效率是：平均查找深度為（N+1）/2，存儲單元為N*a個，而索引式結(jié)構(gòu)流表在同等存儲損耗的情況下，查找深度為2。在嵌入式備中索引式無疑是較好的選擇。

　　1.2 數(shù)據(jù)適配與協(xié)議封裝

　　為使流表的適配高效，數(shù)據(jù)流的格式越統(tǒng)一越簡單越好，但網(wǎng)關(guān)需要適配的協(xié)議種類是繁多的。比較常用的協(xié)議有TCP/IP、ZigBee、6LoWPAN、藍(lán)牙等[9]，這給流表的適配帶來了很大難度。

　　為了解決上述問題，使用32位/128位虛擬地址封裝數(shù)據(jù)載荷。因?yàn)楹芏嗵幚砥魑粚挾际?2位，可以一次尋址讀取32位數(shù)據(jù)，128是32的整數(shù)倍，將所有的協(xié)議分為32位封裝和128位封裝兩種，32位封裝面向IPv4和ZigBee等，128位封裝面向IPv6和未壓縮6LoWPAN地址等。對于IPv4協(xié)議，不用任何處理即可；對于ZigBee地址，這里使用16位的網(wǎng)絡(luò)號和16位的節(jié)點(diǎn)地址作為標(biāo)識符；對于IPv6協(xié)議和6LoWPAN協(xié)議不需要處理。版本號用以區(qū)分虛擬地址的長度是32位還是128位，還可以做流表選擇的索引功能。

2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文提出一種針對上述若干關(guān)鍵技術(shù)的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，模塊之間的3條黑色虛線表示邏輯的控制通道。

　　設(shè)備結(jié)構(gòu)上分為若干模塊，感知信息數(shù)據(jù)從各種底層物理接口進(jìn)入網(wǎng)關(guān)設(shè)備，進(jìn)行統(tǒng)一適配或協(xié)議封裝，交由交換/路由單元模塊進(jìn)行流表的匹配操作（流表就在交換/路由模塊），或交由通信適配模塊進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)或轉(zhuǎn)發(fā)給其他網(wǎng)關(guān)等，同樣從互聯(lián)網(wǎng)或者數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)信息也是類似邏輯機(jī)制；管理員可以通過近端控制單元對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場配置、管理，也可以通過控制通道與控制管理單元通信，配置底層通信適配模塊和交換/路由模塊以改變設(shè)備的工作方式或者轉(zhuǎn)發(fā)策略協(xié)同工作等。

　　2.2 硬件設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)關(guān)的硬件平臺選擇了ARM平臺，它擁有更豐富的接口和軟件支持性[10]。

　　核心部分主要包括處理器和存儲器，在這里存儲器分為Flash和RAM，分別用來數(shù)據(jù)存儲和運(yùn)行內(nèi)存。外圍接口部分主要負(fù)責(zé)為核心部分?jǐn)U展接口，豐富接入屬性，主要包括電源、串口、USB和網(wǎng)卡等模塊。串口模塊主要是面向低速率的近距離的通信，USB（通用串行總線）模塊的主要作用就是通信組件的擴(kuò)展，比如無線網(wǎng)卡等[11]。以太網(wǎng)卡模塊，一顆DM9000的百兆網(wǎng)絡(luò)適配芯片以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)接入。

　　2.3 軟件設(shè)計(jì)

　　選擇了嵌入式Linux作為軟件環(huán)境[12]。下面給出網(wǎng)關(guān)的核心部分的軟件實(shí)現(xiàn)。

　?。?）流表的實(shí)現(xiàn)

　　流表主要存在于交換/路由模塊。在索引式結(jié)構(gòu)流表中，分為索引表和每個索引對應(yīng)的頁流表，在本次實(shí)現(xiàn)中使用版本號作為索引表，頁表中每個表項(xiàng)包括包頭域、計(jì)數(shù)域和操作域。表項(xiàng)的操作域由枚舉類型組成，每個參數(shù)對應(yīng)一個函數(shù)指針，其指向的函數(shù)正進(jìn)行相關(guān)的操作。每個流表設(shè)置8個表項(xiàng)，多個流表通過樹狀鏈表呈索引形式締結(jié)起來。而且索引式的流表可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的流表，比如最常用的數(shù)據(jù)流的操作放在某一張流表的最前面，而且包頭域十分簡潔以保證匹配速度，另外一個索引對應(yīng)的流表可能較少用到，但是支持?jǐn)U展的功能，比如端口號、用戶ID和優(yōu)先級等，這種索引式的流表更好地權(quán)衡了效率和多樣性。

　　實(shí)現(xiàn)流表的代碼如下：

　　（2）數(shù)據(jù)封裝的實(shí)現(xiàn)

　　在實(shí)現(xiàn)過程中需要針對地址格式的不同提供至少兩種封裝的頭部，結(jié)構(gòu)體中包含一個指針指向數(shù)據(jù)凈負(fù)荷，使用指針的方式避免了數(shù)據(jù)的復(fù)制操作，使得處理過程更加高效。而且在不考慮字節(jié)對齊的情況下只占用了10 B。

　　實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝的代碼如下：

3 系統(tǒng)驗(yàn)證與分析

　　這里通過一個應(yīng)用場景來對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行分析評價：一個多任務(wù)動態(tài)感知的情景，如圖3所示，每個虛線圓圈內(nèi)部的加點(diǎn)表示一個物理上的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

　　實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建了一個簡單的類似圖3的環(huán)境，網(wǎng)關(guān)G2、G3直接連接6LoWPAN傳感網(wǎng)（N1、N2、N3分別為3個傳感網(wǎng)的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)），G1通過Wi-Fi與G2、G3連接并作為其上層網(wǎng)關(guān)提供互聯(lián)網(wǎng)接入。這里僅通過整個系統(tǒng)對流量的控制和時延兩個方面來驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的功能性和穩(wěn)定性。從網(wǎng)關(guān)G1通過G2向N1發(fā)送PING包，原路返回，其間附上節(jié)點(diǎn)的時間。實(shí)驗(yàn)5次，時間曲線繪制如圖4（a）所示?？梢娫诰W(wǎng)關(guān)與傳感網(wǎng)之間的通信時延較大，但是總體時延控制在500 ms以內(nèi)且時延抖動小。G2網(wǎng)關(guān)采集N1和N3的數(shù)據(jù)，G3網(wǎng)關(guān)采集N2的數(shù)據(jù)，N1和N3數(shù)據(jù)量很大，所以G2網(wǎng)關(guān)的下行接口隨時都有可能堵塞，這時G2向數(shù)據(jù)平臺反饋，數(shù)據(jù)平臺反饋N3改道G3網(wǎng)關(guān)，從而避免了G2的堵塞，流量監(jiān)測如圖4（b）所示。

4 結(jié)論

　　網(wǎng)關(guān)具有以下特點(diǎn)：重量體積輕巧，低功耗；電路板采用DC 5V-2A供電，發(fā)熱量少；常溫下主芯片最高43℃。在測試的一周內(nèi)，各個模塊都無異常。

　　上述的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)具有如下有益效果：（1）為物聯(lián)網(wǎng)開放環(huán)境的數(shù)據(jù)平臺的資源整合及控制傳感網(wǎng)提供了有效的支撐；（2）從傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)中提煉出控制面，能夠在運(yùn)行中根據(jù)數(shù)據(jù)平臺的調(diào)度或者不同的需求更改網(wǎng)絡(luò)通信特性和適配特性；（3）流表及其控制機(jī)制的引入易于實(shí)現(xiàn)資源的調(diào)度。

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