0 引言

无线传感网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一类无线自组织网络，广泛应用于工业控制、环境监测和救生等领域，在煤矿安全监测领域也得到普遍关注[1-3]。现有的煤矿WSN采用固定路由协议，不能根据网络状况改变通信策略，无法保障煤矿突发事故情况下的通信可靠性。

软件定义网络(Software Defined Network，SDN)[4]采用数据转发平面和控制平面分离的思想，大大提高了网络可扩展性和可靠性[5]。将WSN集成到SDN是新一代信息技术发展的必然趋势，该方面的研究正受到广泛关注[6]。Luo T等[7]提出了软件定义无线传感网络(Software Defined Wireless Sensor Network，SD-WSN)概念，开展了采用SDN管理WSN的研究。Zeng D Z等[8]进行了SD-WSN演化研究，采用感知即服务(Sensing as a Services，SaaS)方式，将传感节点集成到云计算中。A. D. Gante等[9]提出了一种基于SDN的WSN基站架构，并将SDN中的控制器作为基站，但没有分析传感节点间如何通信。上述研究并没有考虑适合煤矿安全监测的网络拓扑结构。

针对煤矿WSN特点，集成SDN的应用很少。本文在论述SDN体系基础上，通过分析煤矿WSN簇模型，提出一种矿用软件定义簇形WSN架构，以期为矿用SD-WSN设计提供参考。

1 SDN体系

随着OpenFlow协议的出现，特别是2008年McKeown在Sigcomm会议上展示的OpenFlow实验网络[10]，SDN体系逐渐明晰。2011年，德国电信、Google、Microsoft、Facebook、Verizon等企业联合成立了开放网络基金会(Open Networking Foundation，ONF)，旨在通过产业联盟方式推动以OpenFlow协议为代表的SDN技术发展。基于OpenFolw协议的SDN架构如图1所示。

图1 基于OpenFlow协议的SDN架构
Fig.1 SDN architecture based on OpenFlow protocol

图1中，每个数据转发平面相当于1个站点，并运行 OpenFlow控制器(OpenFlow Controller，OFC)和网络控制应用(Network Control Application，NCA)。控制平面由逻辑上集中的应用(如SDN网关、全局流量工程服务器等)组成，并通过各站点的NCA集中控制整个网络。

OFC上部署流量工程代理(Traffic Engineering Agent，TEA)程序。每台OpenFlow交换机(由控制平面和数据转发平面组成)的链路状态信息通过TEA发送给SDN网关，经SDN网关汇总后发送至全局流量工程服务器。全局流量工程服务器将每条流映射到IP-IP隧道中，并将分配的带宽通过SDN网关发送给OFC，由OFC安装到OpenFlow交换机转发表中，从而实现网络流量的路径规划。

采用SDN技术后，流量工程完全依靠SDN/OpenFlow实现，网络资源利用率大幅提升，平均带宽使用率可达95%。

可见，SDN将控制平面从网络交换机和路由器中的数据转发平面分离出来，SDN控制器——OFC实现网络拓扑收集、路由计算、流量表生成及下发、网络管理与控制等功能，网络层设备仅负责转发流量及执行策略。通过SDN控制器实现网络资源的统一管理、整合及虚拟化后，采用规范化接口为上层应用提供所需的网络资源及服务，实现了网络能力开放。

2 矿用软件定义簇形WSN体系

2.1 煤矿WSN拓扑和簇模型

如何在煤矿中高效、灵活部署WSN实际上还没有完全解决。文献[11]在宽8 m、高4 m的巷道内部署传感节点，节点数据经1个中继节点传回地面。煤矿一般由多个巷道组成。考虑到井下结构复杂、环境恶劣，为提高WSN的覆盖度和连通度，结合文献[11]，可将1个巷道分成若干个簇，采用簇形(分层)网络拓扑结构描述煤矿WSN[12-13]，如图2所示。

(a) 煤矿WSN拓扑

(b) 巷道WSN簇模型

图2 煤矿簇形WSN拓扑
Fig.2 Topology of coal mine cluster WSN

簇形WSN由传感节点、中继节点和Sink节点组成。传感节点在巷道内随机部署(可呈泊松分布或其他分布)，中继节点和Sink节点的空间位置固定部署。传感节点自动采集数据，按传感节点覆盖范围，由多个传感节点形成1个簇，中继节点即为该簇的簇头。簇中传感节点采集的数据经对应的中继节点传递到Sink节点。中继节点间可相互通信，形成多跳路由，也可直接与Sink节点连接。Sink节点进行数据处理，并将处理后的数据经煤矿综合信息网络传送到数据应用中心。

2.2 巷道软件定义簇形WSN

从图2可看出，每一簇由1个中继节点和若干单一传感节点组成。在此基础上，增加网关节点，构成煤矿巷道软件定义簇形WSN，如图3所示。每一簇形成SDN的域，域由簇头、域内网关节点和传感节点组成。每个中继节点即为所在域的簇头。簇头即控制器，负责管理域内网关节点及传感节点，并组织数据流路由路径。簇头间地位平等，可完全对等接入和通信，路由规则也相同。在巷道软件定义簇形WSN中，可通过簇头在域内配置参数、存储数据和汇聚采集数据，并将数据传送到Sink节点或其他域。网关节点是簇头与传感节点之间的桥节点，负责采集周边传感节点数据，并根据簇头制定的规则进行域内或域间通信。

图3 巷道软件定义簇形WSN
Fig.3 Software defined cluster WSN of tunnel

簇头一旦出现故障，则所在域内传感节点暂时不能接入，需组织路由，重新选择簇头。网关节点负责域间通信，其一旦出现故障，则域间通信中断，相关域将成为信息孤岛。

在A. D. Gante提出的基于SDN的WSN基站架构中，SDN控制器知道整个网络的拓扑，有利于降低网络资源消耗，做出最佳路由判断。采用该架构，不仅可以很好地管理整个域，还能有效监控来自内外网络的攻击，这也是下一代网络需要关注的。

2.3 软件定义簇形WSN间的可靠性

每一个软件定义簇形WSN域在某一时刻下有唯一的SDN簇头作为域控制器，该控制器拥有自己的安全策略和管理策略，并对每个边界网关(即每个簇的中继节点)分配安全规则和路由规则。通过对边界网关的控制，可高效管理域间数据流的传输，通过域一级的安全防护有效提高网络整体安全性能。

当某一个SDN簇头出现故障时，需要配置新的簇头作为域控制器，以避免发生系统性故障，提高WSN的可信度和容错能力。本文中矿用软件定义簇形WSN采用对等互操作模式，所有SDN簇头地位对等，均可监测整个网络，且作为簇控制器可以平等交换网络路由信息和状态信息，有助于提高网络整体平衡性和可扩展性。

3 结语

在论述SDN体系和煤矿WSN簇形拓扑结构基础上，引入域的概念，通过在巷道WSN簇模型中增加网关节点，提出了一种矿用软件定义簇形WSN架构。该架构中控制器(簇头)不仅要管理域内流量和路由，还要管理所在域的安全。另外，该架构既能实现网络分布式安全管理，也可以协作方式管理流量，有助于解决传统WSN采用单一协议、不能根据网络状况改变路由的问题，适用于煤矿安全监测领域。

参考文献(References)：

[1] 周坚和.煤矿安全监测系统无线传感器网络网关设计[J].工矿自动化,2013,39(3):26-30.

ZHOU Jianhe.Design of WSN gateway for coal mine safety monitoring system[J].Industry and Mine Automation,2013,39(3):26-30.

[2] 温阳东,张玉凤,朱敏.基于无线传感网络的温度监测节点设计[J].工矿自动化,2011,37(7):89-92.

WEN Yangdong,ZHANG Yufeng,ZHU min.Design of temperature monitoring node based on wireless sensor network[J].Industry and Mine Automation,2011,37(7):89-92.

[3] 刘志高,李春文,耿少博,等.带盲区巷道网络人员全局定位系统[J].煤炭学报,2010,35(增刊1):236-242.

LIU Zhigao,LI Chunwen,GENG Shaobo,et al.A three-dimensional personnel positioning method in underground tunnel environment based on wireless sensor networks[J].Journal of China Coal Society,2010,35(S1):236-242.

[4] NUNES B A A,MENDONCA M,NGUYEN X N,et al.A survey of software-defined networking:past,present,and future of programmable networks[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials,2014,16(3):1617-1634.

[5] CHOI T,LEE B,KANG S,et al.IRIS-CoMan:scalable and reliable control and management architecture for SDN-enabled large-scale networks[J].Journal of Network & Systems Management,2015,23(2):252-279.

[6] 董玮,陈共龙,曹晨红,等.面向软件定义架构的无线传感器网络[J].计算机学报,2017,40(8):1779-1797.

DONG Wei,CHEN Gonglong,CAO Chenhong,et al.Towards a software-defined architecture for wireless sensor networks[J].Chinese Journal of Computers,2017,40(8):1779-1797.

[7] LUO T,TAN H P,QUEK T Q S.Sensor OpenFlow:enabling software-defined wireless sensor networks[J].IEEE Communications Letters,2012,16(11):1896-1899.

[8] ZENG D Z,MIYAZAKI T,GUO S,et al.Evolution of software-defined sensor network [C]//The 9th IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Network,Dalian,2013:410-413.

[9] GANTE A D,ASLAN M,MATRWY A.Smart wireless sensor network management based on software-defined networking [C]//The 24th Biennial Symposium on QBSC,Kingston,2014:71-75.

[10] MCKEOWN N,ANDERSON T,BALAKRISHAN H,et al.OpenFlow:enabling innovation in campus networks[J].ACM Sigcomm Computer Communication Review,2008,38(2):69-74.

[11] LI M,LIU Y.Underground coal mine monitoring with wireless sensor networks[J].ACM Transactions on Sensor Networks,2009,5(2):10-12.

[12] DAN P.Open networking foundation foresees open-source software as route to network standards in 2015 [J].Software World,2014(45):1.

[13] XU Y,HELAL S,THAI M,et al.Optimizing push/pull envelopes for energy-efficient cloud-sensor systems[C]// International Symposium on Modeling Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems,Miami,2011:17-26.