武警工程大学信息工程学院，陕西 西安

收稿日期：2022年1月15日；录用日期：2022年2月11日；发布日期：2022年2月21日

摘要

针对网络资源可用性低的问题，提出一种基于SDN的高可用MAENT结构模型。模型引入动态哈希算法缓解控制平面和数据平面的拓扑失配问题，利用前缀匹配树实现拓扑失配的局部修复，通过修改南边界APIs函数的规则提高网络兼容性。利用Mininet、FlowVisor和GT-ITM等开源软件设计了测试平台，对模型连通度、时延和吞吐量等可用性指标进行了仿真分析。结果表明，新模型连通度提高了9%，时延降低了60%，吞吐量提高了2.3 Mbps，一定程度上改善了网络资源可用性。

关键词

软件定义网络，移动自组网，动态哈希算法，时延，吞吐量

Design of High Available MANET Model Based on SDN

Qingchao Zhu

College of Information Engineering, Engineering University of PAP, Xi’an Shaanxi

Received: Jan. 15^th, 2022; accepted: Feb. 11^th, 2022; published: Feb. 21^st, 2022

ABSTRACT

A higher available mobile ad hoc networking (MANET) model was proposed based on software defined network (SDN), aiming at the issue of the network with low available resources. The model remitted the topology mismatching problem through introducing dynamic Hash algorithm, realized local topology mismatching reparation by prefixes matching tree, and improved network compatibility via modifying southern boundary application programming interfaces (APIs) functions running rule. Moreover, corresponding test platform was developed by open source software like Mininet, FlowVisor and GT-ITM. Three performance indicators called connection degree, delay and throughput were analyzed by simulation. Results show that, for the proposed model, connection degree increases about 9%, delay decreases about 60%, and throughput improves 2.3 Mbps, all of which make network resources availability better to some extent.

Keywords:Software Defined Network (SDN), Mobile Ad Hoc Networking (MANET), Dynamic Hash Algorithm, Delay, Throughput

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

软件定义网络(Software Defined Network, SDN)控制平面(Control Plane, CP)实现控制分组交互，数据平面(Data Plane, DP)实现分组交付，可机制有效解决移动自组网(Mobile Ad Hoc Networking, MANET)单平面固化问题 [1] [2]。

文献 [3] 指出由于MANET的移动性和局部特性，MANET与SDN融合(后记为SDN-MANET)的研究集中于：规范化结构设计、流管理策略改善灵活性、处理节点增/删事件、优化MANET孤岛等。文献 [4] 在分析SDN各平面构成、功能的基础上，针对MANET节点移动性导致的拓扑时变性问题，提出了SDN-MANET的基本雏形，但是未解决南边界APIs函数设计问题。文献 [5] 指出可通过SDN流控制机制改善MANET的QoS性能，避免DOS攻击对时延和丢包率产生较大的影响，提高网络的适应能力及资源可用性。文献 [6] 利用了SDN-MANET机制的灵活性，实现了电厂视频数据的交互，实例验证了模型的可行性，但未考虑对资源利用率的影响。文献 [7] 针对节点移动、退出等行为引发的不可靠问题，基于控制平面和数据平面的路由选择逻辑分割方法，提出混合结构模型并加以验证。文献 [8] 针对5G中MANET部署节点移动引发的不可靠连接，基于SDN的监测管理机制，提出了RaDRT协议改善QoS服务。文献 [9] 指出虫洞攻击依然是SDN-MANET面临的安全性问题，基于邻节点相似度原理，提出了SWANS模型，改进了网络脆弱性，但假设DP层与CP层拓扑完全匹配。文献 [10] 针对SDN-MANET协议对MAC层、PHY层交互较少的不足，基于SDR技术提出了一种交叉优化机制，在不增加控制开销的基础上，性能得到改善。总之，SDN-MANET多集中于路由协议、流量管理等问题的研究，限于SDN-MANET平台APIs函数的复杂性以及拓扑失配问题，规范化结构设计与MANET孤岛问题研究较少，MANET孤岛问题的解决依赖SDN-MANET的结构模型。

为了提高资源可用性，需要研究能够兼具SDN技术优势(高灵活性和低开销)和传统MANET协议体系优势(高抗毁性和分布式)的新型组网结构。论文在现有MANET组网模型和SDN双平面结构研究基础上，尝试设计一种基于SDN的高可用性MANET模型，以期改善网络的资源可用性。

2. 高可用模型结构设计

为了将SDN分层传输优势与传统的MANET技术相结合，考虑到MANET协议体系中网络层至传输层协议建立在链路层之上，不直接与底层物理网络交互，且路由开销比重较大，因而将其映射到CP层；而链路层与物理网络节点及拓扑结构紧密相连，且该层控制比特与数据部分同时传输，因而将其映射到DP层，此时便实现了CP和DP层的分离及双平面控制，这与SDN和MANET融合组网的思想是一致的。同时通过CP层与DP层的映射，能够提高各层之间的执行效率，改善资源的可用性。基于以上分析，本节设计的基于SDN的高可用MANET模型示意图如图1所示(灰色SDN APP部分只引入数据流，不设计相应程序，因而可视为双平面模型)。

此外，由于基于SDN的MANET模型形成了DP层和CP层，实现了控制分组和数据分组的分割，但摆脱DP层而研究CP层易导致拓扑失配，失配问题限制了路由效率和资源分配，因此需进一步考虑将DP层真实物理网络映射到CP层抽象拓扑中。动态哈希算法通过哈希运算、哈希子表映射、链表指针映射等机制在映射效率、流量跟踪、链表深度与精度等方面具有明显的优势，并在逻辑层与物理结构匹配中得到广泛应用，因此在此引入动态哈希算法 [11]。动态哈希算法需要构建全网哈希域，对于完全分布式MANET而言，该方法对节点移动性支持不足。为此本节稍作改进，采用基于hello协议的分簇映射机制，在提高算法收敛速度的同时，一定程度上考虑了节点的移动性。具体流程为：多节点执行hello协议启动动态哈希算法，将所得拓扑信息共享，短时内便可构建一定规模的哈希环域，如图2(a)所示。例如网络初始阶段，节点C、P、E分别建立各自的局部哈希环，第二次、第三次分别扩展到邻节点A、D、O、N、M、L和G。同时在映射过程中，节点之间的物理连接关系(拓扑结构)同步实现共享，经过动态哈希运算后，CP层根据物理可达性，构建与之对应的虚拟层，为上层路由的选择提供数据基础，各节点所维持的哈希环域如图2(b)所示，不难看出三个节点哈希运算共享后很快便拥有了其它节点的拓扑信息，效率越来越高，且算法以指数形式收敛。

图1. 基于SDN的MANET模型结构图

图2. DP层至CP层的哈希环域构建

虽然动态哈希算法建立了DP层和CP层之间的映射关系，但是受限于动态哈希算法本身的不足，当部分节点加入或退出网络时，仍存在二者之间的失配问题，此时CP层路径信息并非最优，因此必须建立一种拓扑失配对应的局部修复机制。前缀匹配树 [12] 以较低的时间复杂度(O(log(N))定位失配点并完成替代功能，其规则为：假设将MANET物理节点映射到一个深度为d的树形结构上，根节点用逻辑地址0表示；对应树中第i层节点，其逻辑地址为 $a_0{a}_1\cdots a_{i-1}$，则该节点的第j个子节点逻辑地址为 $a_0{a}_1\cdots a_{i-1}j$。其中根节点局部动态变化，但均以数据发送节点作为基准点，并运用递归算法逐步实现相邻物理节点的映射，若某处节点出现断点，则意味着对应编号的节点由于特殊原因离开网络，并基于当前树形结构，本节首选兄弟节点替代原节点重新构建生成树，实现拓扑失配时的局部修复，图3为前缀匹配树构造实例。图中根节点0具有两个子节点01和02，同时01子节点为011、012，012连接叶节点0121，当节点012退出网络即012->0121链路失效时，将012节点切换至011，快速建立011->0121的链路。

图3. 前缀匹配树构造实例

在此基础上，由于SDN与MANET的对应关系，不仅要考虑其它网络(Ethernet等)兼容性，而且需要实现MANET节点之间的互通，因此原始的南边界APIs函数已经捉襟见肘，在此将其部分功能通过SDN网桥实现，对APIs采用如下规则修改：与传统网络互通时，无需经过SDN模块，直接利用原始协议栈通信，因而APIs保持不变；与改进MANET互通时，需要兼顾链路层及上层协议之间的透明传输，因而在此通过将对应的MANET分层收发函数移植到改进网络模型实现上述功能。

3. 模型测试

3.1. 测试环境

模型设计过程中通过网络结构的移植实现CP层和DP层的对应，不修改系统内核算法，因此模型测试可通过针对SDN和MANET的成熟软件进行仿真测试。基于该实际情况，测试平台通过开源轻量级软件Mininet生成CP层和DP层对应节点和拓扑结构，CP层和DP层平面之间利用FlowVisor执行互通映射，双平面中通过GT-ITM请求模拟网络数据传输，应用层通过ping命令测试网络连通性，底层的CPU、GPU、硬盘、内存等提供硬件资源和计算资源，Ubuntu16提供系统内核资源，同时采用Python、Matlab作为编程语言、作图工具。为简化测试环境，Mininet、FlowVisor和GT-ITM模型参数均采用默认值 [13] [14]，节点数为50，分组大小为1500字节，任意两个节点之间传输分组概率为0.5。综上本节测试环境平台如图4所示。

图4. 测试环境部署图

3.2. 测试结果

用于衡量资源可用性的指标包括连通性、时延和吞吐量等。其中连通性用于测试节点之间是否存在良好、稳定的链路，是模型能否正常工作的基础，可分为物理连通性测试和逻辑连通性测试，前者测试物理节点之间是否互通，后者测试协议之间能否到达，本节仅关注模型的逻辑连通性，用连通节点与总节点数的比值表示(记为连通度)，连通度越大越好；时延用于测试模型的反映速度，分为使用时延和接入时延，前者测试数据收发所经历的时间，后者测试节点之间建立连接所需的时间，本节仅关注使用时延，用数据端到端的往返时延表示，其值越小越好；吞吐量用于测试资源能够满足用户需求的能力，其值越大越好。网络拓扑连接图(连线表示链路)、连通度、时延、吞吐量测试结果分别如图5~8所示。

图5. 拓扑结构示意图

图6. 连通度曲线图

图7. 时延变化曲线图

图8. 吞吐量变化曲线图

从图6可知，就连通度而言，基于SDN的高可用MANET模型(记为OSDN-MANET)和纯MANET连通度整体变化趋势一致，均先逐步增加，后进入稳态后而后保持。前者稳态时连通度约为42%，后者约33%，意味着分组并发传输时OSDN-MANET比纯MANET链路可用性高9%，比SDN-MANET [4] 高5%。原因在于前者通过CP层，在不消耗DP层链路资源的基础上，实时调整链路资源，降低链路堵塞或空闲概率，同时通过动态哈希算法、前缀匹配树和APIs的修改降低了拓扑失配概率，提升了算法运行效率，与之对应的资源利用率得以提高。

从图7可知，就时延而言，OSDN-MANET和纯MANET开始分组传输时，二者均需通过特定手段建立路由连接，时延相对较高，当传输分组达到一定数目时，时延处于稳态。同时前者稳态时延约2.8 ms，而后者约7 ms，时延降低了60%，意味着同等条件下，前者比后者传输更快，且性能比SDN-MANET [4] 低1 ms。原因在于OSDN-MANET中CP层在感知到链路状态和分组数量后，从逻辑层面进行优化分配，既避免了DP层网络分组数的增加，又提高了运算效率，且哈希动态运算自身的高效性降低了运算时间，故时延迅速降低。

从图8可知，就吞吐量而言，OSDN-MANET和纯MANET开始分组传输时，需要确定路由信息后执行数据交互，因此吞吐量从0逐步上升，当网络分组基本饱和时网络处于稳态并保持。前者稳态时吞吐量约5.5 Mbps，后者约3.2 Mbps，意味着OSDN-MANET为用户提供的容量可用性比纯MANET高2.3 Mbps，比SDN-MANET [4] 高1 Mbps。原因在于SDN双平面中CP层感知到数据分组激增时，从逻辑层面实现了链路优化，使得吞吐量得以改善。

总之，OSDN-MANET连通性、时延和吞吐量均得到明显改善，资源利用率提高。

4. 结论

论文针对MANET资源可用性问题，提出一种基于SDN的高可用MANET结构模型，采用动态哈希算法和前缀匹配树算法降低了DP层和CP层的拓扑失配，通过修改南边界APIs函数的运行规则提高了网络的兼容性，而后通过Mininet、FlowVisor和GT-ITM等开源平台实现了模型性能测试。结果表明新模型在连通度、时延和吞吐量等方面均得到改善。

文章引用

朱清超. 基于SDN的高可用MANET模型设计
Design of High Available MANET Model Based on SDN[J]. 计算机科学与应用, 2022, 12(02): 347-355. https://doi.org/10.12677/CSA.2022.122035

参考文献