何國銀　胡欣岳

摘要：軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking， SDN）的基本思想是將數(shù)據(jù)平面與控制平面解耦和，從而簡化網(wǎng)絡(luò)管理。無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用該思想，開放無線網(wǎng)絡(luò)可編程接口，分離無線控制平面與數(shù)據(jù)平面，誕生了軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Wireless Networking， SDWN）。重點介紹了SDWN中軟件定義無線局域網(wǎng)（Software Defined Wireless Local Area Networks， SDN-WiFi）的研究進(jìn)展。首先從SDN-WiFi的誕生背景入手，梳理總結(jié)了SDN-WiFi的分層網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)；然后，介紹了SDN-WiFi中幾種關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，包括WLAN中的接入技術(shù)和漫游技術(shù)，密集部署和集中管理，以及負(fù)載均衡等問題；然后，論述了目前研究SDN-WiFi的幾種不同的方法，包括實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的部署和SDN-WiFi仿真工具的研究；最后，分析并展望了未來SDN-WiFi所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)；軟件定義無線局域網(wǎng)；可編程接口；控制器；無線局域網(wǎng)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）02-0025-06

Abstract：The basic idea of Software Defined Networking （SDN） is to decouple the data plane and the control plane of the network， and then simplify network management. The application of SDN in wireless network promotes the rise of Software Defined Wireless Networking （SDWN）. This paper presents and discusses recent research progress on software-defined wireless local area networks （SDN-WiFi）. Starting with a brief discussion on the background of SDN-WiFi， we summarize and present the layered network architecture. More importantly， we introduce recent research process on several key technologies of SDN-WiFi， such as the access technologies and handover schemes in WLANs， the dense deployment and centralized management schemes， and the load balance between APs， etc. Furthermore， we summarize recent experimental studies on SDN-WiFi， including both the practical testbed results and the simulation evaluations. Finally， the challenges and the development trends of future SDN-WiFi are discussed.

Key words：SDWN； SDN-WiFi； Programmable Interface； Controller； WLAN

1 引言

無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks， WLAN）憑借其接入速率高，架構(gòu)使用便捷，系統(tǒng)費用低廉和擴(kuò)展性好等優(yōu)點，應(yīng)用日趨廣泛，成為近年來無線通信領(lǐng)域的亮點之一。而隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展和社會信息化的加快，人們對無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求呈現(xiàn)出了爆炸式的增長，各種新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層出不窮，通信網(wǎng)絡(luò)面臨著諸如移動終端數(shù)量，內(nèi)容的爆炸式增長，服務(wù)器虛擬化，以及各種云計算業(yè)務(wù)不斷產(chǎn)生的沖擊，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)架構(gòu)和管理方式與各種應(yīng)用的動態(tài)發(fā)展趨勢越來越不適應(yīng)；同時，傳統(tǒng)的采用專用硬件設(shè)備的組網(wǎng)方式，導(dǎo)致新的業(yè)務(wù)開發(fā)，部署的周期很長，很難適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，網(wǎng)絡(luò)缺少可編程性。在當(dāng)前密集的網(wǎng)絡(luò)部署下，存在著較高的運(yùn)營成本。

面對當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)資源利用率低，流量負(fù)載不均衡，業(yè)務(wù)質(zhì)量難以保證，管理復(fù)雜度高等諸多問題，產(chǎn)業(yè)界需要一個新的無線網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)來解決這些問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速配置和動態(tài)管理。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking， SDN）作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)的控制功能與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能分離開來，由集中式的網(wǎng)絡(luò)控制器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面上的流量分配給網(wǎng)絡(luò)元件，實現(xiàn)拓?fù)涓兄?，路由決策等功能[1]。受SDN原理的啟發(fā)，研究者們將SDN的核心思想與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出了軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Wireless Networking， SDWN），SDWN逐漸成為近年來無線網(wǎng)絡(luò)的研究熱點。

本文主要介紹了軟件定義無線局域網(wǎng)（Software Defined Wireless Local Area Networks， SDN-WiFi）中的研究進(jìn)展。文章首先從SDN-WiFi的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)著手，第2節(jié)研究總結(jié)了SDN-WiFi網(wǎng)絡(luò)的分層體系架構(gòu)，并對每一層以及連接各層的接口進(jìn)行分析說明。接著第3節(jié)分析了SDN-WiFi中需要解決的幾個關(guān)鍵問題，包括無線網(wǎng)絡(luò)中的接入技術(shù)和漫游技術(shù)，密集部署和集中管理，以及負(fù)載均衡等問題，分析總結(jié)了應(yīng)用SDN-WiFi解決這些問題的研究進(jìn)展。第4節(jié)詳細(xì)闡述了目前對于SDN-WiFi的幾種研究手段，包括實際網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境的部署和利用仿真平臺進(jìn)行SDN-WiFi的相關(guān)研究。第5節(jié)對未來的研究工作面臨的問題進(jìn)行了分析。最后在第6節(jié)總結(jié)本文。

2 SDN-WiFi的架構(gòu)研究

針對不同的網(wǎng)絡(luò)需求，眾多研究者提出了相應(yīng)的SDN-WiFi的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。早在SDN發(fā)展的初期，OpenRoads[2]就提出將SDN運(yùn)用到無線網(wǎng)絡(luò)中。OpenRoads利用OpenFlow[3]和SNMP[4]在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)（如WiFi、WiMAX等）中實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)虛擬劃分和終端移動管理，利用FlowVisor[5]劃分虛擬網(wǎng)絡(luò)，分割底層流量，簡化了網(wǎng)絡(luò)管控的方法。文獻(xiàn)[6]將SDN引入到低速率的個人無線局域網(wǎng)，每一個物理設(shè)備包含一個微控制系統(tǒng)，支持靈活的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。OpenRadio[7]討論了可編程的無線數(shù)據(jù)平面問題，提供軟件抽象層和模塊化的編程接口，可以處理不同協(xié)議（WiFi、WiMAX、LTE等）下的數(shù)據(jù)。OpenRadio將網(wǎng)絡(luò)分成決策模塊（decision plane）和處理模塊（process plane），決策模塊根據(jù)需求控制處理模塊對數(shù)據(jù)的處理，決定使用何種協(xié)議處理數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[8]和[9]利用虛擬接入點（Virtual Access Point， VAP）的概念，針對WLAN應(yīng)用SDN的思想實現(xiàn)了無線終端的無縫漫游。Odin[8]利用控制器為每一個接入網(wǎng)絡(luò)的用戶終端分配一個只屬于該用戶的VAP，該VAP存儲在用戶終端當(dāng)前連接的接入點（Access Point， AP，也可稱為物理AP）上；而在CloudMAC[9]中，VAP與物理AP分離并且只有一個，無線數(shù)據(jù)信息在控制器的管理下由相應(yīng)的物理AP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。COAP[10]針對密集家庭網(wǎng)絡(luò)的問題，結(jié)合SDN的架構(gòu)提出了一個集中管理家用AP的架構(gòu)，在COAP的架構(gòu)下，所有的AP都支持統(tǒng)一廠商的API，通過Internet由運(yùn)營商控制的控制器集中進(jìn)行控制，從而獲得更好的網(wǎng)絡(luò)資源分配。

除了上述研究，還有很多研究者都提出了自己的SDN-WiFi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[11，12，13，14]，雖然具體實現(xiàn)方式不同，但是SDN-WiFi的整體網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)主要可以劃分為三層：數(shù)據(jù)平面、控制平面（也可稱為決策平面）、應(yīng)用平面。本文總結(jié)了SDN-WiFi的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，以控制器為核心，南向接口協(xié)議負(fù)責(zé)控制平面與數(shù)據(jù)平面之間的通信（Control-Data-Plane Interface， CDPI），北向接口協(xié)議負(fù)責(zé)控制平面與應(yīng)用平面的通信（Control-Service-Plane Interface， CSPI）。

2.1 數(shù)據(jù)平面

數(shù)據(jù)平面由用戶終端、無線接入設(shè)備、交換機(jī)和路由器等網(wǎng)絡(luò)元素組成，各網(wǎng)絡(luò)元素之間通過由不同規(guī)則形成的SDN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通路形成連接。與有線SDN類似，無線接入設(shè)備由控制器統(tǒng)一管理配置，為用戶提供多種業(yè)務(wù)服務(wù)；骨干網(wǎng)由可編程的交換機(jī)與路由器組成，通過對無線接入點部分和骨干網(wǎng)部分的集中控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理、維護(hù)和配置需求。

2.2 控制平面

控制平面由多個分布式的SDN控制器組成，形成一個邏輯中心的控制器，負(fù)責(zé)運(yùn)行控制邏輯策略，將全網(wǎng)狀態(tài)信息抽象成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，通過南向接口協(xié)議CDPI來獲取全網(wǎng)的信息，調(diào)用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通路，管理網(wǎng)絡(luò)信息，并通過北向接口協(xié)議CSPI向運(yùn)營商、科研工作者等第三方提供簡單易用的接口實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的邏輯管理。

2.3 應(yīng)用平面

應(yīng)用平面包含各種基于SDN-WiFi的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，用戶無需關(guān)心底層的技術(shù)細(xì)節(jié)，只需要通過調(diào)用相應(yīng)的北向接口，獲取需要的信息，通過簡單的編程的方式就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的快速部署。

2.4 南向接口與北向接口

南向接口CDPI連接數(shù)據(jù)平面與控制平面。在SDN-WiFi中，數(shù)據(jù)平面提供統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，控制器通過南向接口協(xié)議可以獲取數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)絡(luò)信息。目前最常用的南向接口協(xié)議為OpenFlow協(xié)議[3，15]。數(shù)據(jù)平面允許控制器通過南向接口對設(shè)備進(jìn)行編程，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬化等操作。同時由于底層設(shè)備提供統(tǒng)一的接口，允許網(wǎng)絡(luò)的虛擬化操作，上層不同的業(yè)務(wù)可以使用底層相同的物理資源，提高了資源的利用率。對于骨干網(wǎng)部分，由于交換機(jī)和路由器的可編程性和控制器的集中控制機(jī)制，控制器可以通過CDPI收集全網(wǎng)信息，根據(jù)全網(wǎng)的信息執(zhí)行不同的行為策略，鏈路的利用率可以被大大提高。北向接口CSPI連接控制平面與業(yè)務(wù)平面。北向接口協(xié)議目前尚未有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的研究者根據(jù)不同的需求提出了相應(yīng)的北向接口協(xié)議[1，2，6，8，9]。SDN-WiFi的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，控制器可以訪問底層設(shè)備的所有資源，而對于不同的業(yè)務(wù)，控制器給予不同的業(yè)務(wù)不同顆粒度的訪問權(quán)限，允許不同的業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)流進(jìn)行不同程度的處理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流的操作。同時利用北向接口，第三方可以開發(fā)各種網(wǎng)絡(luò)管理軟件和應(yīng)用，為網(wǎng)絡(luò)管理人員提供更多的選擇而不需要考慮底層設(shè)備的具體型號。

3 SDN-WiFi的關(guān)鍵技術(shù)研究

與有線網(wǎng)絡(luò)不同，SDN應(yīng)用到WLAN中有許多問題需要解決。舉例來說，在WLAN網(wǎng)絡(luò)中，每個接入點需要根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)置工作信道，信號發(fā)射功率等，移動終端接入網(wǎng)絡(luò)之前需要選擇接入點進(jìn)行接入，同時由于終端的移動性，終端有可能需要在不同的接入點之間進(jìn)行切換等問題。本節(jié)回顧了為了解決這些問題，將SDN引入到無線局域網(wǎng)中所做的一些研究，主要包括接入技術(shù)、漫游技術(shù)（移動性管理）、密集部署、負(fù)載均衡、集中管理等問題。

3.1 接入技術(shù)與切換技術(shù)

AP間切換技術(shù)是無線局域網(wǎng)中的重要問題。移動終端在WLAN中的位置是隨時變化的，為了保證移動終端在移動的過程中通信的連續(xù)性，獲得較好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，終端在移動的過程中可能需要從一個接入點切換到另一個接入點。在傳統(tǒng)的切換過程中，終端需要經(jīng)歷掃描，認(rèn)證和重新關(guān)聯(lián)的過程，該階段會產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡(luò)時延，對用戶服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響[16，17]。SDN-WiFi架構(gòu)以其靈活性，集中控制和標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)勢，可以很好地解決這個問題，已經(jīng)有眾多的研究者利用SDN-WiFi來提高無線網(wǎng)絡(luò)切換時的性能。

文獻(xiàn)[9，18]利用VAP的概念，將終端的認(rèn)證連接過程分離到單獨的服務(wù)器上實現(xiàn)，物理接入點只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，所有接入到物理接入點的終端邏輯上都接入同一個VAP，終端在物理接入點之間的遷移由連接VAP和物理AP的OpenFlow交換機(jī)實現(xiàn)，具體方式為控制器下發(fā)流規(guī)則控制數(shù)據(jù)從VAP到不同的物理AP再轉(zhuǎn)發(fā)給終端實現(xiàn)。終端在物理AP之間的切換過程如圖2所示。Odin[8，19]中終端接入AP，控制器就為該終端分配一個VAP與之相關(guān)聯(lián)。每一個移動終端對應(yīng)一個唯一的VAP，只有當(dāng)移動終端離開網(wǎng)絡(luò)超過一定的時間，對應(yīng)的VAP才會被釋放。當(dāng)移動終端從一個物理AP遷移到另一個物理AP時，與該移動終端對應(yīng)的VAP也會被遷移到另一個物理AP上，進(jìn)而完成移動終端的切換。圖3給出了Odin下移動終端切換的過程。

Odin和CloudMAC都利用VAP的概念實現(xiàn)了終端在接入點之間的無縫切換過程，但是其局限在于所有的接入點都必選工作在同一個信道上。為了實現(xiàn)終端在不同信道間的無縫切換，文獻(xiàn)[20]在Odin的基礎(chǔ)上引入的信道切換聲明（Channel Switch Announcement， CSA）消息，當(dāng)終端需要從物理AP-1切換到物理AP-2時，物理AP-2會發(fā)送包含CSA的Beacon消息給終端，通知終端是否需要進(jìn)行信道的切換，在信道完成切換以前，物理AP-1仍然為終端提供服務(wù)。在Odin和CloudMAC中，用戶的切換均由控制器決策，由控制器決定何時讓終端實施切換，文獻(xiàn)[21]則提出了一種由終端決定何時切換的無縫漫游機(jī)制，其中終端能夠同時接入多個接入點，當(dāng)終端決定切換時，由終端將切換消息發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)接收到的切換消息，下發(fā)對應(yīng)的規(guī)則到OpenFlow交換機(jī)，控制數(shù)據(jù)信息從不同的接入點發(fā)送到終端，不需要進(jìn)行重新掃描認(rèn)證的過程。文獻(xiàn)[22]結(jié)合SDN/OpenFlow控制器與瘦AP架構(gòu)下的無線接入控制器（Wireless Access Controller， AC），結(jié)合OpenFlow協(xié)議與CAPWAP協(xié)議[23]，通過在交換機(jī)上建立不同的流表從而完成終端在接入點之間的三層切換。文獻(xiàn)[24]中，所有的接入點均支持OpenFlow協(xié)議，并且所有的接入點設(shè)置相同的SSID和BSSID，這樣對終端而言，始終只有一個AP。對某一個終端k而言，所有的接入點被分成Service AP（S-AP）和Monitor AP（M-AP）兩種，S-AP為終端k當(dāng)前連接的AP，M-AP監(jiān)聽接收到的終端k的信號的強(qiáng)度。如果某個M-AP接收到的終端k的信號強(qiáng)度大于S-AP接收到的終端k的信號強(qiáng)度，則控制器將該M-AP設(shè)置為終端k的S-AP，信號較弱的S-AP則被設(shè)置為終端k的M-AP，從而完成切換過程，減少了切換時的重新認(rèn)證關(guān)聯(lián)過程。除此之外，還有相關(guān)文獻(xiàn)研究了利用SDN/OpenFlow技術(shù)解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的垂直切換問題[13]。

可以看出，在SDN-WiFi架構(gòu)下，物理AP的差異性被減弱，只作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)使用，終端的接入認(rèn)證過程由虛擬接入點和控制器完成，其中文獻(xiàn)[25，26]介紹了幾種不同的在物理AP上實現(xiàn)虛擬化功能的方法。作為提升WLAN網(wǎng)絡(luò)性能和用戶滿意度的一項關(guān)鍵技術(shù)，接入點的虛擬化技術(shù)和終端的無縫切換是近年來SDN-WiFi的一個熱點研究問題。

3.2 密集部署與集中管理

無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的增長，接入終端數(shù)量的增多和覆蓋區(qū)域的不斷擴(kuò)展，促進(jìn)了WLAN的大量部署和密集使用。然而隨著這種快速增長，越來越多的問題也隨之而來，如網(wǎng)絡(luò)資源利用率低，流量負(fù)載不均衡，業(yè)務(wù)質(zhì)量難以保證，管理復(fù)雜度高等。很多研究者將SDN引入到無線局域網(wǎng)領(lǐng)域，利用SDN-WiFi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來解決這些問題。

OpenRoads[2]通過開放無線部署平臺，利用FlowVisor[5]進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺，利用這個平臺，控制層和數(shù)據(jù)層都很容易擴(kuò)展。OpenRoads的控制器統(tǒng)一管理85個無線AP以及2個WiMAX基站，研究人員利用FlowVisor和控制器可以獨立進(jìn)行多個實驗而不相互影響干擾。雖然具體實現(xiàn)方法不同，Odin和CloudMAC均基于虛擬AP的概念實現(xiàn)了對無線網(wǎng)絡(luò)的集中管理和統(tǒng)一部署，但是在現(xiàn)有的實驗部署中，Odin和CloudMAC的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模都還很小，對于大規(guī)模密集部署的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境還有待進(jìn)一步的研究。CROWD[27，28]將控制層分為兩層：本地控制器（CRWOD Local Controller， CLC）和區(qū)域控制器（CROWD Regional Controller， CRC）。CROWD將一個密集部署的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)劃分成很多小的網(wǎng)絡(luò)塊，每一個網(wǎng)絡(luò)塊由一個CLC控制器控制，所有的CLC控制器又由一個CRC控制器進(jìn)行集中管理，最終實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的管理。但是CROWD暫時還沒有定義一個完全開放統(tǒng)一的接口。文獻(xiàn)[29]提供了一個密集無線局域網(wǎng)絡(luò)的試驗床，承載真實用戶的流量并運(yùn)行各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，實現(xiàn)密集無線網(wǎng)絡(luò)中的信道管理、功率控制、接入管理等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。通過為不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)權(quán)限，控制終端接入到不同的網(wǎng)絡(luò)。COAP[30]針對當(dāng)前普遍使用的家用無線接入點提出了一個基于OpenFlow的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)?？紤]到家用無線接入點的多樣性，COAP假定所有這些不同廠商的無線接入點均支持統(tǒng)一的API，并且通過網(wǎng)絡(luò)接入到云端控制器，由云端控制器統(tǒng)一對這些無線接入點完成部署任務(wù)。無線接入點進(jìn)行配置，故障自檢及信息收集等，并將該信息提供給控制器，由控制器進(jìn)行更新配置。COAP可以實現(xiàn)密集部署的無線接入點之間的信道的優(yōu)化分配，減少信道競爭，提高無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

隨著無線網(wǎng)絡(luò)越來越普遍，無線接入點的密集部署將成為SDN-WiFi解決擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等問題的手段之一，而從現(xiàn)有研究來看，大部分的研究部署方案中，無線接入點的個數(shù)較少，難以承載現(xiàn)有真實用戶的流量。同時大規(guī)模密集部署無線網(wǎng)絡(luò)時，無線接入點的管理工作、非正交無線信道之間的干擾問題等都還有待研究。

3.3 負(fù)載均衡技術(shù)

在一個WLAN網(wǎng)絡(luò)中，AP會為多個終端提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，因為終端分布的隨機(jī)性，可能會出現(xiàn)一些AP負(fù)載很重，而另外一些AP負(fù)載很輕的現(xiàn)象。此時接入到重負(fù)載的AP上的終端的服務(wù)質(zhì)量將難以保證。同時由于終端在不同AP之間切換時，也會造成負(fù)載抖動的現(xiàn)象，消耗網(wǎng)絡(luò)資源。文獻(xiàn)[20]利用負(fù)載感知的方法解決AP之間的負(fù)載均衡問題，當(dāng)終端所連接的AP負(fù)載較重，而附近又存在負(fù)載較輕的AP可供接入時，終端會從當(dāng)前的AP切換到負(fù)載較輕的AP，從而實現(xiàn)多個AP之間的負(fù)載均衡。文獻(xiàn)[26]利用SDN集中控制的特點，在控制器上設(shè)計負(fù)載均衡模塊，收集接入點和移動終端的信息，通過為移動終端選擇不同的接入點，減小AP之間的負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)差，最終達(dá)到接入點之間的負(fù)載均衡。文獻(xiàn)[30]將SDN應(yīng)用到包括LTE和WLAN在內(nèi)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，實現(xiàn)用戶在異構(gòu)網(wǎng)中的移動性管理問題，分析了基于用戶切換實現(xiàn)負(fù)載均衡需要解決的問題和挑戰(zhàn)。除了上面的研究外，ONF組織的無線SDN工作組也體提出了基于OpenFlow的負(fù)載均衡策略[31]。

隨著無線應(yīng)用的日趨廣泛及無線接入點的密集部署，AP間的負(fù)載均衡是影響WLAN網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素?，F(xiàn)有的部署方案多采用Fit-AP架構(gòu)，需要使用廠商綁定的設(shè)備以完成特定的功能，技術(shù)手段也不夠靈活，需要在SDN-WiFi的架構(gòu)下深入研究。更進(jìn)一步，大部分現(xiàn)有SDN-WiFi研究的部署方案只考慮了單一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[27，28，29，30]，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的實驗部署還有待進(jìn)一步的探索。

4 SDN-WiFi的實驗部署

目前針對SDN-WiFi的研究還處在起步階段，仍然需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同努力，同時SDN-WiFi究竟能夠帶來多大的性能提升還有待驗證。在對SDN-WiFi架構(gòu)及各種基于SDN-WiFi架構(gòu)的應(yīng)用的驗證方面，當(dāng)前既有研究者利用實際設(shè)備搭建實際網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境進(jìn)行驗證，也有部分研究者利用仿真工具搭建仿真平臺來對SDN-WiFi架構(gòu)進(jìn)行驗證。

4.1 基于實際網(wǎng)絡(luò)的SDN-WiFi部署

文獻(xiàn)[2，6，8，9，19，27，29，30]利用實際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搭建了SDN-WiFi的實驗平臺。OpenRoads[2]同時在斯坦福大學(xué)的計算機(jī)系和電機(jī)工程系大樓部署，結(jié)合OpenFlow和SNMP以及FlowVisor在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)虛擬劃分和終端移動性管理，簡化了網(wǎng)絡(luò)管控的方法。Odin[8，19]在柏林工業(yè)大學(xué)一棟教學(xué)大樓的15層和16層部署，測試了基于虛擬AP的切換對網(wǎng)絡(luò)時延和終端可獲得的吞吐量的影響。在CloudMAC[9]中，作者通過OpenWRT刷寫普通商用的無線接入點并添加相應(yīng)軟件以實現(xiàn)無線接入點的可編程功能，利用一臺PC機(jī)作為控制器，搭建了一個小型的SDN-WiFi測試平臺。Behop[29]被部署在斯坦福大學(xué)的一棟包含150個房間的四層宿舍中，實時為用戶終端提供服務(wù)并記錄真實網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量及網(wǎng)絡(luò)性能。表1給出了基于實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的相關(guān)部署研究以及相應(yīng)項目的網(wǎng)址。SDN-WiFi的實際相關(guān)部署目前還主要集中在小范圍內(nèi)的測試驗證，距離大規(guī)模部署應(yīng)用尚有一段距離，需要更多研究者和產(chǎn)業(yè)界的共同努力。

4.2 基于仿真工具的SDN-WiFi部署

一個新的方案在被實際部署前，通常需要先驗證該方案的性能，確定該方案的可行性，SDN-WiFi也是如此。為了驗證SDN-WiFi架構(gòu)的可行性和優(yōu)越性，很多研究者利用仿真手段來研究SDN-WiFi。Mininet[34]作為最早的輕量級軟件定義網(wǎng)絡(luò)的測試平臺，支持OpenFlow和OpenvSwitch等各種協(xié)議。Mininet可以在同一臺計算機(jī)上模擬一個完整的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)、鏈接和交換機(jī)，有助于互動開發(fā)、測試和演示，尤其是使用OpenFlow和SDN的技術(shù)。但是Mininet缺少對無線模塊的有效支持。OpenNet[35]將Mininet和NS-3[36]連接起來，借助NS-3對無線模塊的良好支持，實現(xiàn)對SDWN的仿真。OpenNet的相關(guān)代碼均可以從文獻(xiàn)[37]獲取。為了彌補(bǔ)Mininet對無線模塊不支持的問題，Mininet-WiFi[38]通過在Mininet中添加IEEE802.11的模塊，實現(xiàn)在Mininet中對SDN-WiFi進(jìn)行仿真。Mininet-WiFi的相關(guān)代碼可以從文獻(xiàn)[38]獲取，目前Mininet-WiFi還在不斷完善更新之中。目前來看，大部分SDN仿真工具提供的還是有線環(huán)境下的SDN網(wǎng)絡(luò)仿真，對于SDN應(yīng)用到無線環(huán)境中的仿真研究還比較少。

5 未來工作展望

有關(guān)SDN-WiFi的研究已經(jīng)得到各方面的關(guān)注，但目前SDN-WiFi還處在初始階段，SDN-WiFi技術(shù)也還有待完善。SDN-WiFi技術(shù)的出現(xiàn)帶來了諸多機(jī)遇，同時也面臨著更多的挑戰(zhàn)。

5.1 SDN-WiFi的大規(guī)模部署和域間通信問題

目前來看，基于SDN-WiFi的無線網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境主要面向校園網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)，實驗網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很小，缺乏針對大規(guī)模無線局域網(wǎng)部署的相關(guān)經(jīng)驗。真實網(wǎng)絡(luò)面臨的異構(gòu)環(huán)境，性能需求差異和擴(kuò)展性等問題都有可能成為制約其發(fā)展 的因素。同時在網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署環(huán)境中，不可能只使用一臺控制器實現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)的管理，控制平面的性能對整體網(wǎng)絡(luò)的性能有直接的影響。目前對于SDN的控制平面功能拓展研究存在著垂直架構(gòu)和水平架構(gòu)兩種解決方案。垂直方案中將控制器分成兩層，高一層的控制器用于協(xié)調(diào)底層多個控制器之間的通信。水平架構(gòu)方案中，所有控制器位于同一層級，文獻(xiàn)[39]中提出的控制器間的通信就屬于水平架構(gòu)的方案。目前關(guān)于控制器之間通信的東西向的接口并沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對于異構(gòu)控制器之間的協(xié)同工作，實現(xiàn)跨域通信和管理是亟需解決的問題之一。

5.2 SDN-WiFi與網(wǎng)絡(luò)安全

SDN-WiFi采用集中控制的方式管理網(wǎng)絡(luò)，控制器作為網(wǎng)絡(luò)的中樞設(shè)備，其安全性直接關(guān)系到整個網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。當(dāng)前在OpenFlow的設(shè)計中，對安全性的問題考慮還不夠。在SDN-WiFi的安全機(jī)制設(shè)計，異常監(jiān)測和惡意攻擊保護(hù)等方面還需要進(jìn)行更加深入的研究，以保證SDN-WiFi安全健康的發(fā)展。

5.3 SDN-WiFi與能量管理

無線局域網(wǎng)密集部署帶來的另外一個問題是能量損耗的問題，能量損耗增加了網(wǎng)絡(luò)成本，如何實現(xiàn)能量節(jié)省和優(yōu)化是SDN-WiFi大規(guī)模密集部署需要解決的問題之一。文獻(xiàn)[40]指出無線網(wǎng)絡(luò)中超過50%的能量損耗發(fā)生在基站端，因此在文獻(xiàn)[41]中，作者結(jié)合SDN集中管理的思想，在保證用戶QoS的前提下，通過將用戶集中到某些接入點，從而關(guān)閉空閑接入點，達(dá)到節(jié)省能量的目的。文獻(xiàn)[42]在Odin的基礎(chǔ)上添加能量管理模塊，利用Odin中虛擬AP的概念將用戶集中到主AP獲取服務(wù)，而將空閑的備用AP設(shè)置為休眠狀態(tài)，從而節(jié)省能量。文獻(xiàn)[43]則將SDN應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，相比于傳統(tǒng)節(jié)能策略進(jìn)一步節(jié)省了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的能耗。

目前關(guān)于能量管理的研究主要集中在接入點端，通過遷移用戶終端，關(guān)閉空閑的接入點來實現(xiàn)能量節(jié)省的目的。利用SDN-WiFi的集中管理的優(yōu)勢，如何實現(xiàn)包括接入點和用戶終端的能量節(jié)省，以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的能量節(jié)省，將成為未來SDN-WiFi的研究方向之一。

5.4 SDN-WiFi與其他網(wǎng)絡(luò)共存

未來網(wǎng)絡(luò)朝著移動互聯(lián)的方向發(fā)展。作為解決計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，WLAN必然在未來無線網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)重要地位。另一方面，SDN-WiFi目前還處于起步階段，在實現(xiàn)大規(guī)模部署的過程中，SDN-WiFi必須與其他無線網(wǎng)絡(luò)（如LTE、5G和傳感器網(wǎng)絡(luò)）長期共存。如何和其他主流無線網(wǎng)絡(luò)兼容，充分發(fā)揮不同無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點和優(yōu)勢，實現(xiàn)無線通信資源的高效通信與管理，是未來無線SDN網(wǎng)絡(luò)研究的重要課題。

6 總結(jié)

SDN作為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最熱門和最具發(fā)展前途的技術(shù)之一，給無線領(lǐng)域帶來了嶄新的活力。從技術(shù)角度看，SDN-WiFi目前還并未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。眾多研究者提出的SDN-WiFi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)其核心思想也都是一致的：即實現(xiàn)控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離，開放網(wǎng)絡(luò)接口，靈活的實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的需求。隨著人們對無線業(yè)務(wù)需求的持續(xù)增長，用戶需要更加靈活的網(wǎng)絡(luò)接入和更加安全的網(wǎng)絡(luò)體驗，這必然會促進(jìn)SDN-WiFi的不斷發(fā)展。然而SDN-WiFi要想成為下一代無線局域網(wǎng)主流技術(shù)還需要克服許多困難，包括SDN-WiFi的可擴(kuò)展性，規(guī)?；渴穑约坝蜷g通信等關(guān)鍵問題。如何結(jié)合無線通信環(huán)境的特點，利用SDN-WiFi所具備的優(yōu)勢，實現(xiàn)無線頻譜資源的充分利用和網(wǎng)絡(luò)性能的提高，將成為SDN-WiFi未來研究發(fā)展的重要任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Feamster N， Rexford J， Zegura E. The road to SDN： an intellectual history of programmable networks[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2014， 44（2）： 87-98.

[2] Yap K K， Kobayashi M， Sherwood R， et al. OpenRoads： Empowering research in mobile networks[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2010， 40（1）： 125-126.

[3] McKeown N， Anderson T， Balakrishnan H， et al. OpenFlow： enabling innovation in campus networks[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2008， 38（2）： 69-74.

[4] Case J D， Fedor M， Schoffstall M L， et al. Simple network management protocol （SNMP）[R]. Boston： MIT Laboratory， 1990.

[5] Sherwood R， Chan M， Covington A， et al. Carving research slices out of your production networks with OpenFlow[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2010， 40（1）： 129-130.

[6] Costanzo S， Galluccio L， Morabito G， et al. Software defined wireless networks： Unbridling sdns[C]//Software Defined Networking （EWSDN）， 2012 European Workshop on. Piscataway， NJ： IEEE， 2012： 1-6.

[7] Bansal M， Mehlman J， Katti S， et al. Openradio： a programmable wireless dataplane[C]//Proceedings of the first workshop on Hot topics in software defined networks. New York： ACM， 2012： 109-114.

[8] Suresh L， Schulz-Zander J， Merz R， et al. Towards programmable enterprise WLANS with Odin[C]//Proceedings of the first workshop on Hot topics in software defined networks. New York： ACM， 2012： 115-120.

[9] Vestin J， Dely P， Kassler A， et al. CloudMAC： towards software defined WLANs[J]. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review， 2013， 16（4）： 42-45.

[10] Patro A， Banerjee S. COAP： a software-defined approach for home WLAN management through an open API[J]. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review， 2015， 18（3）： 32-40.

[11] Kim W S， Chung S H， Shi J. WiPCon： A Proxied Control Plane for Wireless Access Points in Software Defined Networks[C]//Computational Science and Engineering （CSE）， 2014 IEEE 17th International Conference on. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 923-929.

[12] Moura H， Bessa G V C， Vieira M A M， et al. Ethanol： Software Defined Networking for 802.11 Wireless Networks[C]//IFIP/IEEE International Symposium on Integrated Network Management （IM）. Ottawa， ON， Canada， 2015： 388-396.

[13] Bernardos C， La Oliva A， Serrano P， et al. An architecture for software defined wireless networking[J]. Wireless Communications， Piscataway， NJ： IEEE， 2014， 21（3）： 52-61.

[14] Zhang S， Kai C， Song L. SDN based uniform network architecture for future wireless networks[C]//Computing， Communication and Networking Technologies （ICCCNT）， 2014 International Conference on. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 1-5.

[15] 左青云， 陳鳴， 趙廣松， 等. 基于 OpenFlow 的 SDN 技術(shù)研究[J]. 軟件學(xué)報， 2013， 24（5）： 1078-1097.

[16] IEEE. IEEE Standard 802.11， Part II： Wireless LAN medium access control （MAC） and physical layer （PHY） specifications. Washington： IEEE Computer Society Press 2012.

[17] Alperovich T， Noble B. The case for elastic access[C]//Proceedings of the fifth ACM international workshop on Mobility in the evolving internet architecture. New York： ACM， 2010： 27-32.

[18] Zhao D， Zhu M， Xu M. Supporting “One Big AP” illusion in enterprise WLAN： An SDN-based solution[C]//Wireless Communications and Signal Processing （WCSP）， 2014 Sixth International Conference on. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 1-6.

[19] Schulz-Zander J， Mayer C， Ciobotaru B， et al. OpenSDWN： Programmatic control over home and enterprise WiFi[C]//Proceedings of the 1st ACM SIGCOMM Symposium on Software Defined Networking Research. New York： ACM， 2015： 16.

[20] Rangisetti A K， Baldaniya H B， Kumar B P， et al. Load-aware hand-offs in software defined wireless LANs[C]//Wireless and Mobile Computing， Networking and Communications （WiMob）， 2014 IEEE 10th International Conference on. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 685-690.

[21] Dely P， Kassler A， Chow L， et al. A software-defined networking approach for handover management with real-time video in WLANs[J]. Journal of Modern Transportation， 2013， 21（1）： 58-65.

[22] Monin S， Shalimov A， Smeliansky R. Chandelle： Smooth and Fast WiFi Roaming with SDN/OpenFlow[J]. Proceedings of the 2014 Open Networking Summit Research Track， 2014： 1-2.

[23] Calhoun P， Montemurro M， Stanley D. Control and provisioning of wireless access points （CAPWAP） protocol binding for IEEE 802.11[R]， Aruba， 2009.

[24] Kim W S， Chung S H， Ahn C W， et al. Seamless Handoff and Performance Anomaly Reduction Schemes Based on OpenFlow Access Points[C]//Advanced Information Networking and Applications Workshops （WAINA）， 2014 28th International Conference on. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 316-321.

[25] Aljabari G， Eren E. Virtualization of wireless LAN infrastructures[C]//Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems （IDAACS）， 2011 IEEE 6th International Conference on. Piscataway， NJ： IEEE， 2011， 2： 837-841.

[26] Tang W， Liao Q. An SDN-Based Approach for Load Balance in Heterogeneous Radio Access Networks[C]//Computer Applications and Communications （SCAC）， 2014 IEEE Symposium on. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 105-108.

[27] Ali-Ahmad H， Cicconetti C， La Oliva A， et al. Crowd： An sdn approach for densenets[C]//Software Defined Networks （EWSDN）， 2013 Second European Workshop on. Piscataway， NJ： IEEE， 2013： 25-31.

[28] Ali-Ahmad H， Cicconetti C， La Oliva A， et al. An SDN-based network architecture for extremely dense wireless networks[C]//Future Networks and Services （SDN4FNS）， 2013 IEEE SDN for. Piscataway， NJ： IEEE， 2013： 1-7.

[29] Yiakoumis Y， Bansal M， Covington A， et al. BeHop： a testbed for dense WiFi networks[C]//Proceedings of the 9th ACM international workshop on Wireless network testbeds， experimental evaluation and characterization. New York： ACM， 2014： 1-8.

[30] Sun G， Liu G， Zhang H， et al. Architecture on mobility management in openflow-based radio access networks[C]//Global High Tech Congress on Electronics （GHTCE）， 2013 IEEE. Piscataway， NJ： IEEE， 2013： 88-92.

[31] Brief O N F S. OpenFlow?-Enabled Mobile and Wireless Networks [EB/OL]. [2015-12-09]. https：//www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/solution-briefs/sb-wireless-mobile.pdf.

[32] Tan K， Liu H， Zhang J， et al. Sora： High-Performance Software Radio Using General-Purpose Multi-Core Processors[J]. Communications of the ACM， 2011， 54（1）：99-107.

[33] Riggio R， Rasheed T， Granelli F. Empower： A testbed for network function virtualization research and experimentation[C]//Future Networks and Services （SDN4FNS）， 2013 IEEE SDN for. Piscataway， NJ： IEEE， 2013： 1-5.

[34] Mininet. [EB/OL]. [2015-12-09]. http：//mininet.org/.

[35] Chan M C， Chen C， Huang J X， et al. OpenNet： A simulator for software-defined wireless local area network[C]//Wireless Communications and Networking Conference （WCNC）， 2014 IEEE. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 3332-3336.

[36] Chan M C. The ns-3 network simulator. [EB/OL]. [2015-11-13]. https：//www.nsnam.org/.

[37] A Simulator for Software-Defined Wireless Local Area Network. [EB/OL]. [2015-12-09]. http：//github.com/dlinknctu/OpenNet.

[38] Fontes R， Rothenberg C E. Emulator for Software-Defined Wireless Networking. [EB/OL]. [2015-12-09]. https：//github.com/intrig-unicamp/mininet-wifi.

[39] Lin P， Bi J， Chen Z， et al. WE-bridge： West-East Bridge for SDN inter-domain network peering[C]//Computer Communications Workshops （INFOCOM WKSHPS）， 2014 IEEE Conference on. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 111-112.

[40] Chen T， Yang Y， Zhang H， et al. Network energy saving technologies for green wireless access networks[J]. Wireless Communications， IEEE， 2011， 18（5）： 30-38.

[41] Hongyu P， Weidong W， Chaowei W， et al. A SDN-based energy saving strategy in wireless access networks[J]. Communications， China， 2015， 12（8）： 132-145.

[42] Riggio R， Sengul C， Suresh L， et al. Thor： Energy programmable wifi networks[C]//Computer Communications Workshops （INFOCOM WKSHPS）， 2013 IEEE Conference on. Piscataway， NJ： IEEE， 2013： 21-22.

[43] 董仕， 李瑞軒， 李曉林. 基于軟件定義數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能路由算法[J]. 計算機(jī)研究與發(fā)展， 2015， 52（4）： 806-812.