一种隧道环境下基于软件定义网络的低时延图像传输方法与流程

1.本发明涉及图像传输技术领域，更具体地，涉及一种隧道环境下基于软件定义网络的低时延图像传输方法。


背景技术：

2.近年来，随着数字成像、3d视觉以及3d显示等技术的飞速发展，数字3d视频技术正在电力行业中得到广泛应用。由于3d视频系统涉及多个视点的视频采集，其数据量巨大，因此在视频采集、记录、压缩与无线传输方面都面临着巨大的挑战。在3d视频的传输方面，受到传输路径固定限制以及拥塞状况影响，导致3d视频传输存在较为严重的时延。
3.软件定义网络(software defined network，sdn)，是一种新型网络创新架构，其核心技术openflow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。目前的软件定义网络在3d视频传输方面的应用包括：
4.中国发明专利(cn105430531b)公开了“一种基于软件定义网络的远程医疗3d视频服务传输方法”，软件定义网络控制器从所有可达路径里选择传输一个3d视频图像组的一条qos代价最小的路径，以及深度提取与压缩服务接点和视点绘制与压缩服务节点，通过控制网络服务节点切换和路径转发，对整个3d视频图像进行传输服务。实现了视频图像传输路径的多量化，再通过第三方检测工具检测并获得各个节点的信息，并通过公式计算出每一个服务器的处理延时、视点绘制服务的时延和相邻节点之间的传输时延，通过三种时延的相加，得到时延最小的视频传输路径，作为3d视频图像的最优传输路径。该专利技术，仅考虑各个节点的处理延时和负载能力，不适用于具有地理位置信息的应用场景。
5.中国发明专利申请(cn113098778a)公开了“一种软件定义网络中基于生成树折叠路由的流表压缩方法”，根据给定的网络拓扑，手机每个节点在一定时间段的数据包请求得出流量矩阵，根据节点之间的链路时延得出时延矩阵，基于生成树算法，以最小化路径代价和时延代价、最大化链路重合率为目标，通过约束每段链路的最大容量、每条路径的最大时延、穷举所有科学的路径等约束条件，实现流表的压缩的同时减小了传输延时。该专利技术主要考虑流表项规模过大，进行流表项压缩后以节约交换设备的流表项存储资源，也不适用于具有地理位置信息的应用场景。
6.中国发明专利(cn111083050b)公开了“一种基于软件定义网络的数据流传输方法”，首先确定目标数据流的传输需求信息(起始交换机结点、终止交换机结点、时延需求、丢包率需求、带宽需求)，获取包含交换机结点和交换机结点间链路的网络拓扑结构，以及每条链路的链路性能参数，基于传输需求信息以及每条链路的性能参数，根据预先构建的传输代价函数，确定目标传输路径。该专利技术未考虑地理位置信息进行最短路径计算，在隧道环境下，可能无法达到最优化效果。
7.综上，需要研究一种隧道环境下基于软件定义网络的低时延图像传输方法，以降低图像传输路径上的时延。


技术实现要素：

8.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种隧道环境下基于软件定义网络的低时延图像传输方法。
9.一种隧道环境下基于软件定义网络的低时延图像传输方法，包括：
10.步骤1，在隧道内布置多个无线交换机，各无线交换机之间串联连接；在隧道外布置多个转发交换机，每两个转发交换机相互连接；多个无线交换机和多个转发交换机共同形成隧道环境下的软件定义网络；
11.步骤2，将网络控制器接入软件定义网络；
12.步骤3，将隧道内的图像采集装置接入软件定义网络，并设置图像采集装置的ip地址为ipc；
13.步骤4，将隧道内的图像接收装置接入软件定义网络，并设置图像接收装置的ip地址为ipr；
14.步骤5，图像采集装置准备发送图像数据时，将图像数据首包经由软件定义网络转发至网络控制器；
15.步骤6，网络控制器解析图像数据首包，根据软件定义网络的拓扑结构，生成图像采集装置与图像接收装置之间的传输路径，并按照传输路径向软件定义网络中所有的无线交换机和转发交换机发送指令；
16.步骤7，根据指令，传输路径中的无线交换机和转发交换机实现全部图像数据从图像采集装置到图像接收装置的传输。
17.优选地，步骤1中，无线交换机是支持openflow协议的无线路由器，转发交换机是支持openflow协议的有线路由器。
18.优选地，步骤1中，无线交换机沿着隧道径向在隧道内的顶部等间距布置，各无线交换机之间采用有线串联连接，各无线交换机之间的间距为50米；
19.转发交换机布置在隧道外，每两个转发交换机之间相互连接；
20.其中，每个无线交换机选择与自己距离最近的转发交换机进行连接，一个转发交换机与至少一个无线交换机进行连接。
21.优选地，步骤2中，网络控制器的布置位置包括：隧道内、隧道外；
22.根据网络控制器的位置，选定与网络控制器距离最近的转发交换机，将网络控制器与所选定的转发交换机进行有线连接。
23.优选地，图像采集装置在隧道内可以任意移动。
24.优选地，步骤3包括：
25.步骤3.1，基于uwb定位装置实时计算图像采集装置的位置；其中，uwb定位装置与图像采集装置集成为一体；
26.步骤3.2，根据图像采集装置的位置，选定与图像采集装置距离最近的无线交换机ipc；
27.步骤3.3，将图像采集装置与所选定的无线交换机apc进行无线连接；
28.步骤3.4，基于软件定义网络，设置图像采集装置的ip地址为ipc。
29.优选地，步骤4包括：
30.步骤4.1，将图像接收装置与软件定义网络中的任意转发交换机进行有线连接；
31.步骤4.2，基于软件定义网络，设置图像接收装置的ip地址为ipr。
32.优选地，步骤5中，图像数据从地址ipc发送到地址ipr时，其中图像数据首包pf先发送给与图像采集装置距离最近的无线交换机apc中，再由无线交换机apc经由软件定义网络转发至网络控制器中。
33.优选地，步骤6包括：
34.步骤6.1，基于软件定义网络控制协议，由网络控制器采集软件定义网络中各节点的拓扑连接关系；其中，节点包括多个无线交换机、多个转发交换机、图像采集装置、图像接收装置；
35.步骤6.2，网络控制器解析图像数据首包pf，获取图像采集装置地址ipc、图像接收装置地址ipr以及与图像采集装置连接的无线交换机apc的地址；
36.步骤6.3，基于步骤6.1中确定的软件定义网络的拓扑结构，以无线交换机apc为起点，向各转发交换机的有线端口进行泛洪，发送请求数据包req；其中，设置请求数据包req的生存计数ttl为预设初始值；
37.步骤6.4，网络控制器逐个查询接收到请求数据包req的各节点地址与图像接收装置地址ipr的关系：
38.若接收到请求数据包req的节点地址不是图像接收装置地址ipr，则网络控制器控制请求数据包req的生存计数ttl的数值减去1，并进入步骤6.5；
39.若接收到请求数据包req的节点地址是图像接收装置地址ipr，则网络控制器记录当前生存计数ttl的数值，以及请求数据包req传输过的全部节点地址，并进入步骤6.6；
40.步骤6.5，判断经过步骤6.4后的生存计数ttl的数值与0的大小关系：
41.若当前生存计数ttl的数值大于0，则以当前节点地址为起点，向各无线交换机和各转发交换机进行泛洪，继续发送请求数据包req，并重复步骤6.4；其中，当前节点地址为步骤6.4中接收到请求数据包req的节点地址并且该节点地址不是图像接收装置地址ipr；
42.若当前生存计数ttl的数值等于0，则丢弃当前生存计数ttl所对应的请求数据包req，并重复步骤6.3；
43.步骤6.6，从网络控制器记录的全部生存计数ttl的数值中选出最大值，该最大值所对应的请求数据包req传输过的全部节点地址构成传输路径；
44.步骤6.7，网络控制器向传输路径中的无线交换机和转发交换机发送数据传输指令，向非传输路径中的无线交换机和转发交换机发送待机指令。
45.优选地，步骤7中，生存计数ttl的数值越大，则构成传输路径的节点地址越少，图像数据从图像采集装置到图像接收装置的传输时延越小。
46.本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
47.1、在确定图像传输路径时，充分考虑了隧道环境的特殊性，通过定位技术引入图像采集装置的地理位置信息，从而以物理距离最近点作为网络接入点，更加适用于隧道等具有地理位置信息的应用场景；
48.2、在确定图像传输路径时，还引入泛洪算法，在确保请求数据包一定会被送达到软件定义网络中全部节点的前提下，快速生成时延最小的传输路径，不仅节约了链路带宽资源，还提高了低时延路径规划能力和路径的可靠性。
附图说明
49.图1为本发明一种隧道环境下基于软件定义网络的低时延图像传输方法的步骤框图；
50.图2为本发明一实施例中隧道环境下基于软件定义网络的低时延图像传输系统的架构示意图；
51.其中附图标记说明如下：
52.1-图像采集装置，本发明实施例中，图像采集装置安装在旋翼无人机上；
53.ip
c-图像采集装置的ip地址；
54.ap1-第一无线交换机；ap2-第二无线交换机；ap3-第三无线交换机；
55.ap4-第四无线交换机；ap5-第五无线交换机；
56.2-图像接收装置；
57.ipr-图像接收装置的ip地址；
58.3-网络控制器；
59.s1-第一转发交换机；s2-第二转发交换机；s3-第三转发交换机；
60.s4-第四转发交换机；s5-第五转发交换机。
具体实施方式
61.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
62.如图1，一种隧道环境下基于软件定义网络的低时延图像传输方法，包括步骤1至7，具体如下：
63.步骤1，在隧道内布置多个无线交换机，各无线交换机之间串联连接；在隧道外布置多个转发交换机，每两个转发交换机相互连接；多个无线交换机和多个转发交换机共同形成隧道环境下的软件定义网络。
64.具体地，步骤1中，无线交换机是支持openflow协议的无线路由器，转发交换机是支持openflow协议的有线路由器。本发明优选实施例中，无线交换机的典型配置为mt7612处理器，内存128mb，存储128mb。mt7612处理器是一款高度整合式wi-fi单芯片，支持866mbps phy速率。符合ieee 802.11ac标准，提供高标准而功能丰富的无线连接，并可从更远的距离提供可靠稳定、具成本效益的处理能力。优化的射频架构及基频算法带来卓越的效能表现，以及可靠而低功耗的处理能力。
65.本发明优选实施例中，适用于隧道环境的软件定义网络实际包括隧道内网络和隧道外网络，其中，隧道内网络包括多个无线交换机，如图2所示的第一至第五无线交换机ap1、ap2、ap3、ap4、ap5；隧道外网络包括多个转发交换机，如图2所示的第一至第五转发交换机s1、s2、s3、s4、s5。每个无线交换机与距离最近的转发交换机进行有线连接，从图2可以看出，第一和第二无线交换机ap1、ap2均与第一转发交换机s1有线连接，第三无线交换机ap3与第二转发交换机s2有线连接，第四和第五无线交换机ap4、ap5均与第三转发交换机s3有线连接；并且，无线交换机之间采用有线串联连接，每两个转发交换机之间有线连接。
66.进一步，步骤1中，如图2所示，无线交换机沿着隧道径向在隧道内的顶部等间距布置，各无线交换机之间采用有线串联连接，各无线交换机之间的间距为50米。值得注意的
是，所属领域技术人员可以根据隧道的规模、定位的精度要求，选择不同的无线交换机之间的间距，本发明优选实施例中采用50米的等间距布置方式是一种非限制性的较优选择。
67.步骤2，将网络控制器接入软件定义网络。
68.步骤2中，网络控制器3的布置位置包括：隧道内、隧道外；
69.根据网络控制器的位置，选定与网络控制器距离最近的转发交换机，将网络控制器与所选定的转发交换机进行有线连接。
70.步骤3，将隧道内的图像采集装置1接入软件定义网络，并设置图像采集装置的ip地址为ipc。
71.具体地，图像采集装置在隧道内可以任意移动。本发明优选实施例中，如图2所示，图像采集装置安装在旋翼无人机上。
72.具体地，步骤3包括：
73.步骤3.1，基于uwb定位装置实时计算图像采集装置的位置；其中，uwb定位装置与图像采集装置集成为一体；
74.值得注意的是，图像采集装置的位置计算方法包括但不限于uwb、视频定位。本发明优选实施例中采用uwb定位装置计算图像采集装置的位置，是一种非限制性的较优选择。
75.本发明优选实施例中，uwb定位装置也安装在旋翼无人机上。
76.步骤3.2，根据图像采集装置的位置，选定与图像采集装置距离最近的无线交换机apc；本发明优选实施例中，如图2，与图像采集装置距离最近的无线交换机是第二无线交换机ap2。
77.步骤3.3，将图像采集装置与所选定的无线交换机apc进行无线连接；本发明优选实施例中，如图2，旋翼无人机上的机载图像采集装置与第二无线交换机ap2之间进行了无线连接。
78.步骤3.4，基于软件定义网络，设置图像采集装置的ip地址为ipc。
79.步骤4，将隧道内的图像接收装置接入软件定义网络，并设置图像接收装置的ip地址为ipr。
80.具体地，步骤4包括：
81.步骤4.1，将图像接收装置2与软件定义网络中的任意转发交换机进行有线连接；本发明优选实施例中，如图2，与图像接收装置距离最近的是第五转发交换机s5。
82.步骤4.2，基于软件定义网络，设置图像接收装置的ip地址为ipr。
83.步骤5，图像采集装置准备发送图像数据时，将图像数据首包经由软件定义网络转发至网络控制器。
84.具体地，步骤5中，图像数据从地址ipc发送到地址ipr时，其中图像数据首包pf先发送给与图像采集装置距离最近的无线交换机apc中，再由无线交换机apc经由软件定义网络转发至网络控制器中。
85.步骤6，网络控制器解析图像数据首包，根据软件定义网络的拓扑结构，生成图像采集装置与图像接收装置之间的传输路径，并按照传输路径向软件定义网络中所有的无线交换机和转发交换机发送指令。
86.具体地，步骤6包括：
87.步骤6.1，基于软件定义网络控制协议，由网络控制器采集软件定义网络中各节点
的拓扑连接关系；其中，节点包括多个无线交换机、多个转发交换机、图像采集装置、图像接收装置；
88.步骤6.2，网络控制器解析图像数据首包pf，获取图像采集装置地址ipc、图像接收装置地址ipr以及与图像采集装置连接的无线交换机ipc的地址；
89.步骤6.3，基于步骤6.1中确定的软件定义网络的拓扑结构，以无线交换机apc为起点，向各转发交换机的有线端口进行泛洪，发送请求数据包req；其中，设置请求数据包req的生存计数ttl为预设初始值；
90.本发明优选实施例中，各连接端口包括各转发交换机的有线连接端口，请求数据包req最终请求图像接收装置地址ipr回复确认数据包ack。
91.步骤6.4，网络控制器逐个查询接收到请求数据包req的各节点地址与图像接收装置地址ipr的关系：
92.若接收到请求数据包req的节点地址不是图像接收装置地址ipr，则网络控制器控制请求数据包req的生存计数ttl的数值减去1，并进入步骤6.5；
93.若接收到请求数据包req的节点地址是图像接收装置地址ipr，则网络控制器记录当前生存计数ttl的数值，以及请求数据包req传输过的全部节点地址，并进入步骤6.6；
94.步骤6.5，判断经过步骤6.4后的生存计数ttl的数值与0的大小关系：
95.若当前生存计数ttl的数值大于0，则以当前节点地址为起点，向各无线交换机和各转发交换机进行泛洪，继续发送请求数据包req，并重复步骤6.4；其中，当前节点地址为步骤6.4中接收到请求数据包req的节点地址并且该节点地址不是图像接收装置地址ipr；
96.若当前生存计数ttl的数值等于0，则丢弃当前生存计数ttl所对应的请求数据包req，并重复步骤6.3；
97.步骤6.6，从网络控制器记录的全部生存计数ttl的数值中选出最大值，该最大值所对应的请求数据包req传输过的全部节点地址构成传输路径；
98.步骤6.7，网络控制器向传输路径中的无线交换机和转发交换机发送数据传输指令，向非传输路径中的无线交换机和转发交换机发送待机指令。
99.步骤7，根据指令，传输路径中的无线交换机和转发交换机实现全部图像数据从图像采集装置到图像接收装置的传输。
100.具体地，步骤7中，生存计数ttl的数值越大，则构成传输路径的节点地址越少，图像数据从图像采集装置到图像接收装置的传输时延越小。
101.如图2所示，采用本发明提出的一种隧道环境下基于软件定义网络的低时延图像传输方法，确定从旋翼无人机上的图像采集装置到图像接收装置之间的低时延图像传输路径如图中粗体实线所示，包括第二无线交换机ap2、第一转发交换机s1、第二转发交换机s2、第五转发交换机s5。
102.本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
103.1、在确定图像传输路径时，充分考虑了隧道环境的特殊性，通过定位技术引入图像采集装置的地理位置信息，从而以物理距离最近点作为网络接入点，更加适用于隧道等具有地理位置信息的应用场景；
104.2、在确定图像传输路径时，还引入泛洪算法，在确保请求数据包一定会被送达到
软件定义网络中全部节点的前提下，快速生成时延最小的传输路径，不仅节约了链路带宽资源，还提高了低时延路径规划能力和路径的可靠性。
105.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。