基于SDN的DWSN技术分析及性能优化研究

当前,分布式无线传感器网络（DWSN）已得到广泛应用并服务于许多领域,而其网络架构和节点仍存在一些技术及性能优化难点,影响应用效果。软件定义网络（SDN）是具有控制转发分离思想可编程化功能的新型网络架构,其能对节点设备和层间协议进行软件定义虚拟化。为了提升DWSN的关键技术及性能优化的安全性和可操作性,降低网络复杂性,在DWSN中引入SDN框架形成新的基于SDN的分布式无线传感器网络（SDDWSN）框架。首先,从引入SDN必要性入手探讨了SDDWSN框架要点;其次,重点从网络通信、资源处理和控制管理等方面研究了SDDWSN框架的相关技术和性能优化;最后,设计案例对其安全性和事件可操作性方面进行定性对比分析,研究结果体现出了SDDWSN的优势。     

软件定义无线传感器网络研究综述

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）经过长时间的发展,技术上已经有了很大进步,并广泛应用于很多领域,但其仍存在一些技术难点,影响应用效果。软件定义网络（Software-Defined Network, SDN）是一种新的网络架构,它采用了数据平面与控制平面解耦的思路,提供了网络架构发展的新方向。为了提升WSN的技术有效性,SDN架构被引入到WSN领域中,形成了新的软件定义无线传感器网络（Software-Defined Wireless Sensor Networks, SDWSN）。在分析软件定义无线传感器网络现有研究成果的基础上,阐述了WSN及SDN的发展现状;结合目前的研究进展,综述了SDWSN可行的技术方案;探讨了SDWSN未来的研究方向及发展趋势。     

软件定义网络的测量方法研究

测量技术是状态监测、性能管理、安全防御等网络研究的基础,在网络研究领域具有重要地位.相较于传统网络,软件定义网络在标准性、开放性、透明性等方面的优势给网络测量研究带来了新的机遇.测量数据平面和测量控制平面的分离,启发了通用和灵活的测量架构的设计与实现;标准化的编程接口,使得测量任务可以快速地开发和部署,中心化的网络控制可以基于反馈的测量结果实时地优化数据平面的硬件配置和转发策略,数据平面基于流表规则的处理机制支持对流量更加精细化地测量.但是,软件定义网络测量中额外部署的测量机制造成的资源开销与网络中有限的计算资源、存储资源、带宽资源产生了矛盾,中心化的控制平面也存在一定的性能瓶颈,这是软件定义网络测量研究中的主要问题和挑战.分别从测量架构、测量对象两方面对当前软件定义网络测量研究成果进行了归纳和分析,总结了软件定义网络测量的主要研究问题.最后,基于现有研究成果讨论了未来的研究趋势.     

基于身份密码学的异构传感网络密钥管理方案

在充分考虑异构无线传感器网络自身特点的基础上,针对现有无线传感器网络密钥管理中存在的问题,利用基于身份的加密算法(Identity-Based Cryptography,IBC),提出了一种异构无线传感器网络密钥管理方案(KMUIBC),并从该方案的安全性、连通性、可扩展性、有效性等方面进行分析,与现有的一些典型方案进行了分析比较,结果表明,KMUIBC有较好的性能。     

嵌入式在无线传感器网络中的应用研究

无线传感器网络作为一门多技术交叉融合的新研究领域,已经在网络管理与查询以及数据分发等方面取得了相当大的进展。围绕传感器网络与外部网络互连问题,重点研究基于32位ARM微处理器与嵌入式实时操作系统的嵌入式无线传感器网络架构以及无线传感器网络数据管理与查询模式,设计了基于Web的嵌入式传感器网络系统,在所构建的嵌入传感器网络平台上,通过应用CGI技术成功实现了嵌入式Web与浏览器之间页面的动态交互。     

M-CORD下无线接入网络资源分配研究

针对M-CORD架构将传统的无线接入网络解耦并虚拟化的特征,考虑软件定义网络（SDN）的集中控制和全局监测作用,研究无线接入网侧资源的动态分配及优化问题。将数据中心的计算资源纳为资源分配考虑因素之一,综合干扰阈值、前传网络容量限制、用户移动性、服务最低资源保障以及计算资源限制五方面,推导出M-CORD架构下无线接入网资源分配公式,通过改进基于增量的贪心分配算法,求得资源分配的次优解。仿真结果验证了改进算法在M-CORD架构下对无线接入网资源分配的适用性。     

无线多媒体传感器网络体系结构及QoS保障机制

无线多媒体传感器网络是在传统传感器网络基础上衍生而来的,具有感知、处理和传输音视频等多媒体信息的能力,在环境监测、工业控制、医疗保健等应用领域发挥了重要的作用.分析了无线多媒体传感器网络研究所面临的挑战,剖析了当前主流的几种体系结构,重点分析了网络协议栈各个层次采用的资源有效利用、QoS保障、异构性屏蔽等策略,总结并探讨了无线多媒体传感器网络投入实际应用亟待解决的问题.     

软件定义天地一体化网络接入认证架构与方法

天地一体化网络因结构复杂存在网络异构动态、间歇连通、节点高度暴露等特性，为了保证安全，需要研究专有的接入认证架构与方法。首先利用软件定义网络控制面与数据面分离的思想将它与天地一体化信息网络相结合提出一种新的接入认证架构，对认证架构与过程进行详细描述，可以实现对网络的安全防护与资源的优化控制。然后根据架构特点，提出7个影响接入点决策的属性，给出各个属性的计算公式，将层次分析法与逼近理想解的排序方法相结合提出一种接入点决策算法，实验仿真结果表明接入点决策准确，可以实现资源的合理利用。     

基于线性异构无线传感器网络的协同可靠数据传输

大量无线传感器应用具有线性网络拓扑结构.结合高压输电线路监控系统的层次型异构无线传感器网络架构,提出了骨干网和子网协作进行可靠数据传输,以解决线性拓扑结构的单点失效问题.设计了骨干网节点自适应功率调整机制和传感器节点自动子网切换机制,并在含9个骨干网节点的实验床上实现和性能验证.实验结果表明所提可靠数据传输机制能解决单点失效问题,并能有效改善网络性能.     

WSN和计算机网的融合模型研究

针对无线传感器网与计算机网融合的基础性结构问题,在综合分析无线传感器网络和计算机网络特点的基础上,提出了互联网络、隧道网络和异构网络3种融合网络结构模型,深入研究了异构网络结构模型中采用模糊逻辑的节点移动性管理技术,并重点讨论了异构网络融合的路由模型与协议框架,最后对基于异构网络融合模型的关键技术研究进行了实验分析。     

Enhancing the performance of futurewireless networks with software-defined networking

To provide ubiquitous Internet access under the explosive increase of applications and data traffic, the current network architecture has become highly heterogeneous and complex, making network management a challenging task. To this end, software-defined networking (SDN) has been proposed as a promising solution. In the SDN architecture, the control plane and the data plane are decoupled, and the network infrastructures are abstracted and managed by a centralized controller. With SDN, efficient and flexible network control can be achieved, which potentially enhances network performance. To harvest the benefits of SDN in wireless networks, the software-defined wireless network (SDWN) architecture has been recently considered. In this paper, we first analyze the applications of SDN to different types of wireless networks. We then discuss several important technical aspects of performance enhancement in SDN-based wireless networks. Finally, we present possible future research directions of SDWN.     

异构容错控制平面的安全性分析

随着软件定义网络的大规模应用,软件定义网络的安全性显得愈发重要。基于异构思想的容错控制平面作为一种重要的防御思路,近年来越来越引起研究者的注意。但是现有容错控制平面的研究中忽视了异构原件中的同构漏洞问题,这大大降低了容错控制架构对软件定义网络的安全收益。从异构原件中的同构漏洞出发,首先分析了同构漏洞对控制平面的安全影响,然后以此为基础对容错控制平面的容忍能力进行量化,构造出一个最大化容忍能力的控制平面布局方法。实验仿真证明了所提方法可以有效降低控制平面的故障概率,攻击者在对基于所提方法构造的控制平面进行攻击时,需要花费更多的攻击成本才可以瘫痪控制平面。     

Fuzzy topology discovery protocol for SDN-based wireless sensor networks

The growing trend in pervasive systems forces traditional wireless sensor networks to deal with new challenges, such as dynamic application requirements and heterogeneous networks. One of the latest paradigms in this area is software defined wireless sensor network. According to the paradigm, the networks take care of managing topological information and forwarding decisions using a bipartite architecture in which a control plane decides the forwarding policies and the data plane (i.e. ordinary sensor nodes) executes them. Unfortunately, in highly dynamic networks, this approach generates an overhead of control packet exchange between the ordinary nodes and the control plane, that leads to additional energy consumptions. This paper proposes a fuzzy logic based solution, called Fuzzy Topology Discovery Protocol (FTDP), to improve the efficiency of software defined wireless sensor networks. This work is designed according to the Software Defined Networking solution for WIreless SEnsor networks (SDN-WISE), which is an open source solution for software defined wireless sensor networks. The proposed work is one of the first attempts to use fuzzy theory in software defined based wireless sensor networks. The simulation results show that our approach can increase the lifetime of the network by 45% and decreases the packet loss ratio by 50% compared to the basic SDN-WISE solution.     

无线传感器网络密钥预分配与动态分配策略

为了实现无线传感器网络中的安全通讯,需要对传感器结点间传递的信息进行加密。由于受每个传感器结点自身资源的限制,传统网络中使用的密钥分配策略,并不适用于无线传感器网络。文章提出了一种基于结点位置对密钥进行预分配和动态分配相结合的密钥分配策略,通过构造一棵密钥管理树实现了分布式和集中式密钥管理的结合。应用这一策略构建的传感器网络其安全性和连通性有明显提高。     

Rate control for heterogeneous wireless sensor networks: Characterization,algorithms and performance

This paper addresses the rate control and resource allocation problem for heterogeneous wireless sensor networks, which consist of diverse node types or modalities such as sensors and actuators, and different tasks or applications. The performance of these applications, either elastic traffic nature (e.g., typical data collection) or inelastic traffic nature (e.g., real-time monitoring and controlling), is modeled as a utility function of the sensor source rate. The traditional rate control approach, which requires the utility function to be strictly concave, is no longer applicable because of the involvement of inelastic traffic. Therefore, we develop a utility framework of rate control for heterogeneous wireless sensor networks with single- and multiple-path routing, and propose utility fair rate control algorithms, that are able to allocate the resources (wireless channel capacity and sensor node energy) efficiently and guarantee the application performance in a utility proportional or max–min fair manner. Furthermore, the optimization and convergence of the algorithm is investigated rigorously as well.     

一种无线传感器网络的密钥管理方案

目前很多无线传感器网络的应用是建立在群组式通讯的模式之上,如何建立一个用以加密群组通讯的组密钥,来防范攻击者窃听无线传感器网络上的通讯,近年来引起广泛关注。为了在有限资源的无线传感器网络能安全进行群组通讯,本文只使用对称加密算法和单向哈希函数提出了一种具有有效性和扩充性的组密钥管理方案,并可满足前向和后向安全性。与目前现有的群组密钥相比,方案不仅具有较好的效率,并且更适合于无线传感器网络。     

EasiTest:多Radio异构无线传感器网络测试平台

设计并实现了一种多Radio的异构无线传感器网络综合测试平台系统EasiTest,该平台采用了两种不同性能、功能的测试节点,可以支持大规模、异构传感器网络综合性能测试以及应用性研究.平台内采用了结构复杂、功能完备的多Radio的EZ271作为中高速测试节点,以及以 WiFi作为测试通道的EZ521作为中低速测试节点;系统提供传感/测试数据收集、数据管理、资源分配、服务器状态检查、节点状态检查与参数配置以及资源注册共享等功能模块,保障用户能够方便快捷地实现功能实验;通过友好的 Web访问页面,用户能够模拟真实的网络环境对多种类,如802.15.4,802.11协议等,以及多层次,如 MAC层、路由层、应用层等的网络协议研究成果进行灵活的综合实验验证,从而能够有效地提高无线传感器网络技术的研究效率.     

用可分负载理论分析无线传感器网络任务调度

针对无线传感器网络的任务如何在最短时间内完成且充分利用网络资源的问题,提出了一种基于可分负载理论的无线传感器网络任务调度算法（WDTA）.该算法根据网络中各个节点的处理能力和节点间的通信能力,将总任务从SINK节点下发至网络中.通过去除节点间的通信干扰来提高资源利用率和减少总任务完成时间.算法在两种分群结构的异构网络环境下进行了分析,得到了在各个节点上最合理的任务分配方案,以及最短的任务完成所需时间.理论分析了基于可分负载理论的无线传感器网络任务调度的极限情况.实验结果表明WDTA算法能够通过合理分配任务,而减少任务完成时间及节点能耗.该方案可以作为设计大规模无线传感器网络的原则.     

软件定义网络数据平面安全综述

软件定义网络将数据平面与控制平面解耦,旨在更快地引入网络创新,并从根本上实现大型网络的自动化管理。架构创新带来了挑战与机遇,安全问题限制了软件定义网络的广泛采用。针对数据平面的攻击可能会损毁整个软件定义网络,首先介绍了数据平面结构与发展趋势;然后分析了数据平面安全风险,指出漏洞,确定潜在的攻击场景,并给出2种具体解决方案,讨论其意义与局限性;最后展望未来的安全研究方向。     

面向钢轨监测的无线传感器网络网关设计与性能测试

针对我国铁路钢轨实时广域监测的重大需求,通过研究异构无线传感器网络（WSNs）通信技术,设计并实现了一种基于Zig Bee-3G通信的无线传感器网络网关.进行了通信电路设计和电磁兼容设计,并在WinCE操作系统平台上实现了Zig Bee网络与3G网络之间的互联,开发了网关远程维护管理模块.对网关设备分别进行了网络传输性能测试和电磁兼容测试,测试结果表明：此网关传输效率高、抗电磁干扰能力强,能够满足铁路轨道监测现场的应用要求.