CN102916889B - Vanet中基于多路径连通时间和信任度的路由选择方法 - Google Patents
Vanet中基于多路径连通时间和信任度的路由选择方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种VANET中基于多路径连通时间和信任度的路由选择方法，属于通信技术领域，用于城市车辆网络通信。具体方法是在当前可用的路径中选择连通时间在阈值之内的多条路径作为备选路径，从其中选择信任度最高的路径进行数据传输，在首先考虑连通时间的情况下，以信任度的高低来选择路径。节点的信任度评估采用基于信誉的信任管理模型，每个节点保存邻居节点的信任度，而每条路径的信任度用这条路径中各节点信任度的最低值表示，节点传输分组选择信任度最高的路径传输，本发明的路由选择保证了信任度的实时性；每次通信之前，源节点能够很快地找到可用路径，提高了效率；符合VANET中节点拓扑变化快，节点移动速度快的特性。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种VANET中的路由选择策略，在网络拓扑快速变化，车辆密度相对较大的条件下，建立多路径然后基于信任度选择一条最稳定高效的路由。
背景技术
随着城市车辆数目的快速增长，它所带来的问题也接踵而至-交通阻塞、交通事故，严重影响人们的工作效率，威胁人们的生命财产安全。车辆自组织网络(VANET)的应用，一方面扩展了交通信息的应用范围，增强了它的服务质量，另一方面，提高了现有交通设施的运行效率。
基于VANET的车辆间通信既可以实现诸如道路安全预警、交通拥塞监控的应用，也可以实现用于娱乐的流媒体服务等。目前VANET下的路由协议主要有三类，基于拓扑、基于位置和基于地图三种，阮星华等人在2008年7月的《计算机工程》中的“VANET中位置路由协议的安全和隐私保护”中通过在地理位置路由协议中加入隐私保护来加强VANET中路由协议的安全性，通过群签名和笔名的机制来保护节点的位置隐私，通过GPS来获得节点的位置信息，采用GPSR的方式来路由传递分组。尽管这个做法可以很大程度的保护网络中节点的隐私，群签名方法具有很强的抗攻击能力，GPS获得位置信息也更方便。但是VANET网络的特点是节点移动速度快，拓扑变化频繁，路径寿命短，采用GPSR的路由方法如果遇到一个节点发生错误，邻居节点在寻找下一跳时很可能造成网络拥塞，不能保证及时传递消息到目的节点，GPS的定位方法时延相对较大，群签名的计算方法较复杂，在实际的VANET中对于实时性的需求更多一些，这些时延可能导致节点开始传输分组时，路径已经不存在了。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的的VANET中由于拓扑频繁变化造成路径不稳定而引起的路由问题，针对城市车辆网络通信提出一种基于多路径连通时间和信任度的路由选择方法，在当前可用的路径中选择连通时间在阈值之内的多条路径作为备选路径，从其中选择信任度最高的路径进行数据传输，在首先考虑连通时间的情况下，以信任度的高低来选择路径。
为实现上述目的，如图1所示，本发明的技术方案包括如下步骤：
(1)源节点通过DSR的方式广播发起建立多条路径，目的节点收到源节点的路由请求消息RREQ，通过比较路由表中的中间节点，如果有多条路径共用一个或多个节点，则选择其中连通时间最长的一条路径单播回复路由消息RREP，删除其他的路径，对没有共用节点的路径，则直接单播回复RREP，目的节点对所有收到的RREQ进行如此操作来建立多路径；
(2)在源节点发起建立多路径时，源节点设置一个起始时刻T1，中间节点在转发RREP时依次计算相邻节点之间的连通时间，用其中连通时间最短的一段表示该条路径的连通时间，源节点收到回复的RREP后，根据计算的路径维持时间，为每一条路径预测一个结束的时刻T2；
(3)节点的信任度评估采用基于信誉的信任管理模型，每个节点保存邻居节点的信任度，而每条路径的信任度用这条路径中各节点信任度的最低值表示；
(4)源节点设置一个阈值U，这个阈值是一个临界值，将连通时间大于等于阈值的路径作为候选路径；
(5)源节点要传输分组时，先向目的节点发送一个信任度更新请求TREQ，目的节点收到后回复TREP，其中包含本路径的当前信任度，源节点收到回复后从候选路径中选择信任度最高的路径传输分组；
(6)在传输分组的过程中，对发生错误的路径不进行路由修复，直接放弃，源节点选择次优的路径重新传输分组，以减少路由修复可能带来的时延；
(7)如果所有的路径都失效或者过期，源节点重新发起路由建立请求。
与现有的路由选择方法相比，本发明方法具有以下特点：
(1)结合动态移动的节点，计算多跳路由的维持时间，用时间戳标记可用的路径，每次通信之前，源节点能够很快地找到可用路径，提高了效率；
(2)用TOA/AOA的定位算法，而不是用GPS来定位，减小了节点定位造成的时延，符合车载网络中节点移动速度快的特性；
(3)用节点的历史记录评价路径的信任度，并用信任度最低的一段表示整条路径的信任度，避免由于自私节点或者恶意节点影响正常路由，越近期的转发记录对信任度的影响越大，符合VANET中节点拓扑变化快，节点移动速度快的特性；
(4)在源节点每次通信之前，首先发起信任度更新请求TREQ，目的节点回复TREP时，中间节点依次比较信任度，写入最小的信任度值，保证了信任度的实时性。
附图说明
图1为本发明的路由选择流程图；
图2为路径中比较路径的信任度示意图；
图3为本发明的计算相邻节点连通时间的示意图；
图4为建立多路径示意图。
英文缩略词表
VANET：车载自组织网络
GPSR：贪婪边界无状态路由协议
GPS：全球定位系统
RREQ：路由请求消息
RREP：路由回复消息
TREQ：信任度更新请求
TREP：信任度更新回复
TOA/AOA：到达时间、到达角
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明；
在城市车辆网络中，节点快速移动、分布密度大，且移动方向不规律，直接影响了网络的信息传输能力，使得通信中丢包率高，延迟大，这些都是由于路径的不稳定引起的。针对这种情况，我们提出了一种路由方案，通过广播发起建立多路径，目的节点收到后避开有共用节点的交叉路径，按原路回复，如此建立多路径。对于这些可用的路径，首先评估每条路径的连通时间，只有当连通时间在一个阈值之内，才会考虑用它进行通信，在这些路径中优先选择信任度最高的路径进行数据传输。通过评估整条路径的连通时间，为每条路径设置时间戳，保证传输消息时的服务质量，简化过期路径的释放过程；另外，由于每个节点的信任度是对其历史转发行为的记录，这样就保证了自私节点和恶意节点不能被选中参与路由。
路由建立：源节点搜索后如果没有发现可用路由，就以DSR的路由建立方式来发起建立多路径。
首先通过广播发起路由建立请求RREQ，当目的节点收到RREQ后，选择没有共用节点的多条路径分别单播RREP，并按原路返回，如此来建立多路径。
如果出现源节点无法找到一条到目的节点的可用路径的情况，有可能是因为目的节点对于源节点来说是一个新的节点，或者到目的节点的路径全部都过期或无效了，这时候启动路由发现。源节点向邻居广播RREQ，中间节点即使有到目的节点的路径，也不回复这个消息，只依次转发直至目的节点。当目的节点收到第一个RREQ时，将启动RREQ缓存定时器，缓存其后一段时间内来自同一源节点的RREQ消息，当定时器超时，目的节点按照时间顺序，依次回复多条路径。
目的节点在收到RREQ后，通过比较一条或多条路径的中间节点，判断是否有多条路径共用一个节点的情况，如果有，从这几条共用节点的路径中选择连通时间最长的那条路径单播回复RREP，删除其他的路径，对其他没有共用节点的路径，则直接单播回复RREP。这样保证了多路径的稳定性，避免共用节点发生错误而影响好几条路径无法使用。
目的节点对收到的所有RREQ进行如此操作，建立多路径。
在多路径建立之初，要为每条路径都设置一个时间戳T1，然后计算每一跳的连通时间，用连通时间最短的一段来表示这条路径的维持时间，预测路径可以存活到T2，有数据需要传输的时候，比较当前时间t，如果t＜T2，这条路径可用。另外，为了避免路径频繁断裂，影响通信质量，设定一个阈值U，从距离T2的时间大于U的路径中选择一条信任度最高的进行路由，即T＞U。
对于网络中各节点的坐标定位，本具体实施方式采用非视距传播环境下的TOA/AOA的定位算法，为现有技术，内容可参见[郭丽梅，罗大庸.非视距环境中TOA/AOA混合定位方法.电路与系统学报，15(5).]。
如图3所示，A和B为邻居节点，用上述定位方法计算的节点初始位置为向量。另外，每个车辆都配备了设备，可以确定该节点的速度矢量，加速度矢量。
节点A的初始位置为向量速度矢量为νA，加速度矢量为aA；节点B的初始位置为向量速度矢量为νB，加速度矢量为aB。
在节点移动的过程中，A和B的向量动态地为
要保证两个节点间的连通，满足条件
即节点在运动过程中始终保持相互间距离不超过通信半径R，得到的界值T即为两节点连通的时间上限。路由开始时的时间戳为T1，预测的路径终止时间为T2+T1＝T。
源节点设置一个阈值U，当有车辆需要传输数据时，查询当前时刻t，计算各条路径连通时间，选择连通时间大于等于阈值U的路径，首先向目的节点发送一个信任度更新的请求TREQ，目的节点收到后，回复一个信息，携带整条路径的信任值。这是因为源节点每传输一次数据，每个节点的信任度就会改变，而源节点并不能及时的获得整条路径的信任度，需要目的节点来回复更新后的信任度(TREP)。这个信任度更新请求按照路由表中的上一跳节点的ID，依次返回，并如图2所示比较每个节点更新后的信任度，记录最小的信任度值到TREP中，即为当时的路径信任度。
源节点收到目的节点回复的TREP，选择到目的节点信任度最高的路径进行路由，若存在信任度相同的多条路由，就选路径维持时间最长的进行路由，即离当前时间t最远的预测的路径截止时间T2，每传输一次数据，路由的信任度就会更新一次，上一跳会对下一跳进行信任值评估。
要从这些路径中选择信任度最高的那条路径，我们首先要评估各个节点的信任度，整条路径的信任度我们用其中信任度最低的一段来表示，这里的信任度评估应用一种基于声誉的信任管理模型，内容可参见[Ali Aydin Selcuk，Ersin Uzun，Mark ResatPariente.A Reputation-Based Trust Management System for P2P Networks.2004IEEEInternational Symposium on Cluster Computing and the Grid(CCGrid2004)：251-258]。
每个节点都把与其他节点的交互记录以信任度矢量的方式记录下来，这里将信任度用一个长度为16的二进制矢量来表示，例如A对B的信任度矢量为1101001110111101，当交互信息一次成功后，变为1110100111011110，如果失败，变为0110100111011110，每交互一次，矢量向后移一位码，越近的行为对信任度的影响越大。源节点和目的节点的信任度被认为是无穷大，目的节点回复RREP时，依次比较和各个节点的信任度，只记录最小的信任度值，如图2所示，则该路径的信任度为3。
表1所示为各节点维护的路由表：
表1
其中目的地址为本次路由的终点；上一跳，为了使目的节点在更新信任度的时候能够沿原路由返回；下一跳，为本条路径的下一跳地址；下一跳信任度，每个节点保存邻居节点的信任度，这里指的是节点在本条路径中下一跳的信任度；跳数，到达目的节点需要经过的转发节点个数；优先级，根据消息的紧急程度设置优先级；预测的连通时间，计算本节点与下一跳节点的连通时间。
路由维护：本发明中的路由协议采用与DSR类似的路由维护机制，是按需的，当某个路由正在使用，路由维护就开始监控它的运行情况，源节点使用路由维护机制可以检测出因为拓扑变化不能使用的路由。
当路由维护过程检测到某个正在使用的路由发生问题，就会发送一个RERR消息给源节点，源节点接收到RRER后，将该路径从源路由选项中删除，倘若还有数据包要发送，源节点要选择次优的路由继续进行数据传输。
路由错误、路由删除：如果路径中有离开或者恶意节点，路由发生错误，就要实现路由删除，路由维护会对受影响的邻居节点发送RERR，放弃这条路径，源节点选择次优的路由进行数据传输。
另外，当源节点当前的通信时间t已经超过了预测的路径连通截止时间戳，即t＞T2说明本条路径很有可能已经有节点离开，路径失效了，这时候源节点要从保存的多路径列表中删除这条路径；如果所有的路径都失效了，或者发生了错误，源节点就会重新发起路由建立请求，建立多条路径。
场景假设：城市节点(车辆)数目100
当车辆S要通信时，S即为源节点，首先搜索当前的路由表中是否有到目的节点D的可用路径，如果没有，S向邻居节点广播一个RREQ，，直到RREQ到达D，则路由被找到。D收到第一个RREQ时，启动一个RREQ缓存定时器，缓存其后一段时间内来自S的RREQ，此时会有多个来自S的路径，如图4所示，在这多条路径中，会有如S-A-C-D和S-A-B-E-D这样的路径，他们共用了一个或多个节点，这时通过比较这两条路径的信任度，S-A-B-E-D的信任度略高，D选择这条路径单播RREP。当定时器超时后，D按时间顺序依次回复RREP消息，如此建立了多路径。
在路径建立之初，每个节点要计算自己和邻居节点的连通时间，当目的节点D回复RREP的时候，依次比较各段的连通时间，将连通时间最短的值Ti记录，Ti即为第i条路径的维持时间，并将这个值与路由建立时刻T1相加，就得到预测的路径存活时刻T2，S发送消息的时候，设当前时刻为t，设置的阈值为U，备选路径首先必须满足两个条件：
a)t＜T2，即路由表中保存的路径未超时；
b)T1＞U，路径的连通时间大于预设的阈值。
当源节点S需要传送数据时，对连通时间大于阈值U的多条路径发送TREQ来获取最新的信任度信息。
当D收到S发送的TREQ后，为每条路径回复消息TREP携带整条路径的信任度，TREP按照路由表中的上一跳ID原路返回，依次比较各点的信任度，将信任度最小的值写入其中，这个值就是这条路径的信任度，S收到TREP后，在可用的，满足上面的连通时间条件的多条路径中选择信任度最高的那条路径S-A-B-E-D进行通信。
在通信过程中，路由维护程序会持续对活动的路径进行监控，保证路径一直处于连通状态，一旦检测到有节点离开，就会向S发送RRER消息，告知源节点通信中断，这条路径就不能用了，源节点S会从它保存的路由表中删除这条路径，重新选择次优的路径进行数据通信。
如图4所示，在通信过程中，路由维护程序监测到节点B要离开了，就向S发送RERR告知，S收到后对发生错误，中断的路由进行删除。
另外，当源节点S当前的通信时刻t已经超过了预测的路径连通截止时间戳，即t＞T2，说明本条路径很有可能已经有节点离开，路径失效了，这时候源节点要从保存的多路径列表中删除这条路径。
如果所有的路径都失效了、过期了，或者发生了错误，源节点就会重新发起路由建立请求，建立多条路径。
本发明所述的VANET中基于多路径状态和信任度的即时路由选择并不仅限于说明书和实施方式中的描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、同等替换、改进等，均包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (3)
1.一种VANET中基于多路径连通时间和信任度的路由选择方法，用于城市车辆网络通信，在当前可用的路径中选择连通时间在阈值之内的多条路径作为备选路径，从其中选择信任度最高的路径进行数据传输，在首先考虑连通时间的情况下，以信任度的高低来选择路径，所述的连通时间是根据节点的速度、加速度矢量计算的邻居节点之间的连通时间，用连通时间中最短的一段来表示整个路径的通信，所述的信任度是一个记录信息交互结果的矢量，节点与其它节点每交互一次，矢量右移一位，如果交互是成功的，则右移时在矢量前补1，若交互失败则右移时在矢量前补0，具体的路由选择包括如下步骤：
(1)源节点通过DSR的方式广播发起建立多条路径，目的节点收到源节点的路由请求消息RREQ，通过比较路由表中的中间节点，如果有多条路径共用一个或多个节点，则选择其中连通时间最长的一条路径单播回复路由消息RREP，删除其他的路径，对没有共用节点的路径，则直接单播回复RREP，目的节点对所有收到的RREQ进行如此操作来建立多路径；
(2)在源节点发起建立多路径时，源节点设置一个起始时刻，中间节点在转发RREP时依次计算相邻节点之间的连通时间，用其中连通时间最短的一段表示该条路径的连通时间，源节点收到回复的RREP后，根据计算的路径维持时间，为每一条路径预测一个结束的时刻；
(3)节点的信任度评估采用基于信誉的信任管理模型，每个节点保存邻居节点的信任度，而每条路径的信任度用这条路径中各节点信任度的最低值表示；
(4)源节点设置一个阈值U，这个阈值是一个临界值，将连通时间大于等于阈值的路径作为候选路径；
(5)源节点要传输分组时，先向目的节点发送一个信任度更新请求TREQ，目的节点收到后回复TREP，其中包含本路径的当前信任度，源节点收到回复后从候选路径中选择信任度最高的路径传输分组；
(6)在传输分组的过程中，对发生错误的路径不进行路由修复，直接放弃，源节点选择次优的路径重新传输分组，以减少路由修复可能带来的时延；
(7)如果所有的路径都失效或者过期，源节点重新发起路由建立请求。
2.根据权利要求1所述的VANET中基于多路径连通时间和信任度的路由选择方法，其特征在于：目的节点在回复TREP时，中间节点依次将自己的信任度与TREP中保存的信任度值进行比较，只记录比较值中信任度较低的值，最终TREP中保存的值就是该条路径信任度。
3.根据权利要求1所述的VANET中基于多路径连通时间和信任度的路由选择方法，其特征在于：网络中各节点的坐标定位，采用非视距传播环境下的TOA/AOA的定位方法，以满足车载网络中节点移动速度快的特性。
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Effective date of registration: 20200428 Address after: 276800 No. 177 High-tech Sixth Road, Rizhao High-tech Zone, Shandong Province Patentee after: XD (Rizhao) Pioneer Park Management Co.,Ltd. Address before: Xi'an City, Shaanxi province Taibai Road 710071 No. 2 Patentee before: XIDIAN University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Granted publication date: 20150408 Termination date: 20210929 |
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