CN103781141B - 车载自组织网络的单播路由转发方法、芯片及通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能交通中的车联网领域,具体公开了一种车载自组织网络的单播路由转发方法、芯片及通信系统,方法包括VSM单播报文转发过程,VSM单播报文转发过程包括:查询MRT步骤:第一车载节点产生或接收到DstIP是第二车载节点的第一VSM单播报文后,以DstIP为索引项,查询存储的MRT,从MRT表项中获取对应的NextHopMAC;发送VSM步骤:根据获取的NextHopMAC,向对应的下一跳车载节点发送第一VSM单播报文。单播报文转发基于下一跳技术,只需要从MRT的表项中获取NextHopMAC而不需要获取完整的路由信息,转发过程简单且不需考虑收敛的问题,高效且灵活,系统开销小。
Description
技术领域
本发明涉及智能交通领域,具体涉及一种车载自组织网络的单播路由转发方法、芯片及通信系统。
背景技术
先介绍本领域常用技术术语:
VANET:Vehicle Ad-hoc NET work,车载自组织网络;
VSM:Vehicle Safety Message,车辆安全信息;
MANET:Mobile Ad-hoc NET work,移动自组织网络;
Geocast:位置辅助多播;
MRT:Message Relation Table,通信关系表;
DstIP:目的IP地址;
NextHopMAC:下一跳MAC地址;
SrcMAC:源MAC地址;
SrcIP:源IP地址;
DstMAC:目的MAC地址;
DM:Directly Messaging,直接通信;
MOPR:Movement Prediction based Routing,运动预测算法;
GPSR:Greedy Perimeter Stateless Routing,贪婪周边无状态路由;
GPCR:Greedy Perimeter Coordinator Routing,贪婪周边协调路由;
GPS:Global Positioning System,全球定位系统;
MAC:Media Access Control,介质访问控制层;
FIB:Forward Information Base,转发信息表;
RIB:Routing Information Base,路由表或路由择域信息库;
UDP:User Datagram Protocol,用户数据报协议。
车载自组织网络(VANET)是自组织网络一种特殊形式,依靠短距离通信技术实现车辆与车辆以及车辆与路边基站之间的通信,在一定通信范围内的车辆可以相互交换各自的车速、位置等信息和车载传感器感知的数据,并自动的连接建立起一个移动的网络。VANET中,通常单跳通信范围只有几百米到一千米,每一个车辆不仅是一个收发器,同时还是一个路由器,只有采用多跳的方式才能把数据转发给更远的车辆。VANET在交通运输中的出现,扩展了驾驶员的视野与车载部件的功能,提高道路交通的安全与高效,典型的应用包括:行驶安全预警,利用车辆间相互交换状态信息,通过车载自组网提前通告给驾驶员,建议驾驶员根据情况作出及时、适当的驾驶行为,有效的提升了驾驶员的注意力,提高驾驶的安全性;协助驾驶,帮助驾驶员快速、安全的通过“盲区”。
VANET具备传统自组织网络(Ad-hoc)所有特点的同时又有车载无线网络的特殊性:VANET中车载节点快速移动;网络拓扑动态变化且迅速;车载节点密度分布不均;无线通信信道不稳定;车载节点间通信窗口时间短;车载节点间周期交互安全信息报文。
区别于传统的Ad-hoc,VANET绝大部分由车载节点所组成,其余部分由路边节点组成,车载节点安装在车辆上,随车辆移动,使每个车载节点间保持较快的相对位移速度,因而使得车载节点间通信时多普勒频移引起的码间干扰问题凸显,车载节点间相对速度越大码间干扰越大,正因如此,道路两侧相向行驶的车辆在通信时,即使双方速度较低,其较大的相对位移速度同样会导致显著的码间干扰现象,这一问题在高速公路环境中相向而行的车辆间通信时会更加严重,主要体现在:一方面,由于道路的局限,尤其在城市道路两旁多为密集的建筑物时,VANET拓扑多呈现带状结构,车辆发出的无线电波在垂直于车辆行驶的两个方向上不能有效的传播,虽然,道路两旁的建筑物或其它物体能够反射无线电波,但是多径传播时延同样会引起码间干扰;另一方面,VANET的带状结构相较圆形或蜂窝网络,对网络拓扑和网络环境更加敏感,当道路环境复杂时(尤其在城市环境中),VANET的无线通信信道会异常糟糕且不稳定,这些问题综合导致VANET中不同车载节点间的可通信窗口时间短暂且不稳定。从网络拓扑角度看,车载节点的快速移动导致网络拓扑呈现极不稳定的状态,拓扑实时变化且迅速,当两个车载节点间的通信需要其它多个中间车载节点转发时,中间车载节点快速变化的网络拓扑将导致这两个车载节点间的通信举步维艰,其通信效率低下且网络带宽占用量大,中间车载节点的可用通信能力将大打折扣,传统的基于路由学习的全网路由方法变得不适用。
发明内容
为了实现VANET中车载节点间的稳定通信,本发明提供一种车载自组织网络的单播路由转发方法、芯片及通信系统。为了实现该目的,本发明采用如下技术方案:
根据本发明的第一方面,本发明提供一种车载自组织网络的单播路由转发方法,包括车辆安全信息单播报文转发过程,车辆安全信息单播报文转发过程包括:
查询通信关系表步骤:第一车载节点产生或接收到目的IP地址是第二车载节点的第一车辆安全信息单播报文后,以目的IP地址为索引项,查询存储的通信关系表,从通信关系表表项中获取对应的下一跳MAC地址;
发送车辆安全信息步骤:根据获取的下一跳MAC地址,向对应的下一跳车载节点发送第一车辆安全信息单播报文。
作为优选,车载自组织网络的单播路由转发方法还包括通信关系表表项建立过程,通信关系表表项建立过程包括:
首次接收步骤:第一车载节点接收第二车载节点发送的第二车辆安全信息单播报文,第二车辆安全信息单播报文的报头信息包括源IP地址和第一源MAC地址;
建立表项步骤:以源IP地址为索引项,第一车载节点查询通信关系表中对应于第二车载节点的表项,若无,第一车载节点提取第一源MAC地址和源IP地址,并存储于通信关系表表项中,在通信关系表中建立对应于第二车载节点的表项。
第一车载节点根据获取的下一跳MAC地址,向与下一跳MAC地址对应的下一跳车载节点发送第一车辆安全信息单播报文,第一车辆安全信息单播报文转发基于下一跳技术,第一车载节点不需要获取完整的路由信息,也不会因为车载节点的移动速度或密度而影响报文的转发,且转发过程简单还不需考虑收敛的问题,高效且灵活。
根据本发明的第二方面,本发明提供一种芯片,芯片采用如上任一所述的单播路由转发方法进行信息的发送或接收。
根据本发明的第三方面,本发明提供一种通信系统,包括多个车载单元,多个车载单元之间采用如上任一所述的单播路由转发方法进行通信。
附图说明
图1为本发明实施例中基于位置的路由的报文转发示意图之一;
图2为本发明实施例中基于位置的路由的报文转发示意图之二;
图3为本发明实施例中VANET单播路由网络环境之一;
图4为本发明实施例中VANET单播路由网络环境之二;
图5为本发明实施例中VANET单播路由报文转发示意图;
图6为本发明实施例中VANET单播路由网络环境之三。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
VANET中的路由方式主要有单播、多播、广播、选播和位置辅助多播(Geocast),本发明只讨论单播路由。对于单播路由,目前已经有较多的路由算法,主要分成两大类:基于拓扑的路由和基于位置的路由,以下对这两种单播路由进行简单介绍。
基于拓扑的路由最先在移动自组织网络(MANET)中提出,进行一定的修改和改善后应用于VANET中,基于拓扑的路由中,当两个车载节点的在无线信号通信范围内时,它们互为邻居,可以相互通信;同时,基于拓扑的路由是层次式的,所有的路由学习完全依靠邻居,交换的是路由项,链路状态协议通告给邻居一些链路状态。基于拓扑的路由需要知道全网的拓扑结构,然而VANET是高度动态的,路径频繁断裂,很难维护已经找好的最短路径,而频繁恢复和维护路径会带来很大的带宽消耗。
目前,基于拓扑的路由主要分成两大类:主动路由和被动路由。主动路由的基本思想是主动地定期进行路由表(RIB)的广播和更新,在主动路由中,可以实时更新RIB,信息转发时延小,投递成功率高,但是频繁更新RIB会占用大量网络资源,利用率低,特别是在车载节点密度很大时很容易造成网络拥塞;被动路由是只有源车载节点在有通信需求时才创建路由,通信结束后不维护路由,直到收到下一次的需求,被动路由模式下总的路由开销较小,但是实时性不好,导致时延较大,成功率低。
基于拓扑的路由发送路由信息到互联网上的所有车载节点,目前运动预测算法(MOPR)是使用较多的一种,它通过车载节点的位置、速度和方向等信息来改善路由算法。通过MOPR,通过车载节点现在的位置来其预测未来可能出现的位置,从而估计一条链路的生存时间,即源车载节点可以根据生存时间估计报文的传输时间从而选出一条最稳定的链路。其它基于拓扑的路由基本思想也是类似的,都是根据车载节点的移动信息来预测一个给定的链路可以维持多长时间或者在这条链路破坏之前发现一条新的链路需要多长时间。
总之,虽然基于拓扑的路由算法快速收敛,找出的路径也是源车载节点到目的车载节点的比较短的路径,但是仍具有如下缺陷:VANET拓扑变化非常频繁,特别是在高速公路或者车载节点密度不是很大情况下,车载节点移动速度很快,往往在报文还没有从源车载节点转发到目的车载节点时,链路车载节点已经移动,链路频繁断裂,在转发报文时找不到车载节点,造成丢包,这样,基于拓扑的路由将变得极不稳定,还未收敛就已经失效、不够灵活,并且,在网络拓扑结构较大或者车载节点密度很大时,车载节点间交换的路由项信息报文数量极其庞大,想要实时知道整个网络的拓扑是不现实的,也将造成相当大的网络负载,导致网络拥塞严重影响网络性能。
基于位置的路由投递策略思想几乎都遵循贪婪算法,即每一次总是选择距目的车载节点更近的邻居车载节点,因为基于位置的路由只知道本地的位置信息,并不知道全网的位置信息,所以很容易陷入局部最优,也就是邻居车载节点到目的车载节点的距离都比本车载节点到目的车载节点的距离远,从而使投递陷入死循环中。一般来说,基于位置的路由都有针对于局部最优的修复策略,相对于基于拓扑的路由,基于位置的路由不需要维护太多的路由信息,因此比较适合高度动态的车载自组织网络。
由于VANET拓扑结构高度变化,基于位置的路由,只需要知道本车载节点、邻居车载节点和目的车载节点的位置信息就可以进行路由转发,大大降低了路由开销。目前使用比较广泛的就是贪婪周边无状态路由(GPSR)算法,GPSR算法的核心思想是贪婪路由和修复策略。所谓的贪婪路由就是永远朝着离目的车载节点更近的下一个车载节点投递报文,如图1所示,A、B、C、D和S为不同的车载节点,其中D为目的车载节点,当S有报文要向D发送时,S会发送给离D更近的下一跳车载节点,此时是B,S选择发送数据给B。修正策略,就是指当S要向D发送数据时,S找不到离D更近的车载节点,如图2所示,S从它的邻居A收到一个报文,然后把报文转发给它的第一个逆时针方向上的邻居C,这个修正策略就是著名的右手定则。由于城市环境中,有许多障碍物阻挡,使得贪婪路由性能不是很好,对此贪婪周边协调路由(GPCR)引入了协调节点即协调车载节点,所谓的协调车载节点指的就是十字路口的交叉点,如果下一跳中有协调车载节点时,优先把报文转发给协调车载节点,否则按照贪婪路由思想处理,当陷入局部最优时采用右手定则进行修复。
协调车载节点的判定准则如下:每个车载节点根据自己的邻居车载节点的位置坐标判定本车载节点是否为协调车载节点,判定准则遵循:
其中xi为本车载节点的横坐标,yi为本车载节点的纵坐标,x为所有邻居车载节点横坐标的均值,y为所有邻居车载节点纵坐标的均值,σx表示所有邻居车载节点横坐标的标准差,σy表示所有邻居车载节点纵坐标的标准差,σxy表示所有邻居车载节点横坐标和纵坐标的协方差。显然ρxy∈0、1,当ρxy趋近于1时,表明本车载节点与它的邻居车载节点的位置是线性相关的,即本车载节点位于街道上;当ρxy趋近于0时,表明本车载节点与邻居车载节点的位置不是线性相关的,则认为本车载节点位于十字路口的交叉点处。
基于位置的路由具有如下缺陷:当网络车载节点比较密集,例如上下班车辆高峰期或者市中心繁华区,此时车载节点移动速度较慢,拓扑结构变化缓慢,但每次转发报文仍然通过贪婪路由寻找下一跳车载节点,造成很多无谓的投递,增加网络负载和时延;修复策略中的右手定则,所选出的下一跳车载节点很有可能会向着远离目的车载节点的方向转发,增加时延,并且非常有可能耗尽转发时间而造成丢包;同时,基于位置的路由对车载节点的全球定位系统(GPS)位置信息敏感;仅仅依靠地理位置而忽略车载节点间无线信道环境来获取路由信息,在地理环境复杂、障碍物多、车载节点密度高(尤其是在城市环境中),虽然引入协调车载节点,但忽略通信信道质量的方法,从根本上无法解决报文路由问题。
车辆安全信息(VSM)是一类特殊信息的组合,包含车辆的位置信息、速度信息和状态信息等等,车载节点间VSM单播报文的交换是VANET网络强制要求,为不引入额外的路由信息通信负担,可充分利用VSM单播报文所携带的报头信息构建单播路由转发信息。由于VANET拓扑多呈现带状且无线信道环境复杂,车载节点信号传播范围有限,要让更大范围内的车辆能够彼此感知并在紧急情况下尽早采取必要措施,VSM单播报文必须能够有效的扩散(广播),这就要求更多的车载节点参与VSM单播报文的转发工作。
当两个车载节点相距小于无线信号通信范围时,可直接通过无线介质通信,它们之间交换VSM单播报文时无需其它车载节点转发,将这种通信关系定义为直接通信(DM)关系,如图3所示K和L之间的通信关系。
根据不同车载节点间是否满足DM关系,可以将VANET分割成不同的逻辑子网,称为DM网络,同一个DM网络中所有的车载节点能互相点对点通信。图3中K、L、M、N、E、F、G和H为不同的车载节点,每一个虚线圈表示一个DM网络,如K、L和M同处于DM网络0中,K和H同处于DM网络1中,L、G和F同处于DM网络2中,M和N同处于DM网络3中,N和E同处于DM网络4中。
在图3中,像K这类处于两个及以上DM网络中的车载节点被称为DM网络的边界车载节点。DM网络的边界车载节点能够在多个DM网络中与其它车载节点直接通信、交换VSM单播报文,具备从一个DM网络向另一个DM网络转发VSM单播报文的能力。借助DM网络边界K、M、L和N的转发功能,图3中H产生的VSM单播报文都能转发到车载节点如E、F和G,反之亦然。图3中H与E能够通信,是依靠DM网络0和DM网络3中K、M和N这类边界车载节点的转发功能,从DM网络层面看,DM网络1和DM网络4中车载节点能够通信依靠DM网络0和DM网络3与它们之间的连接作用。
另一方面,仍以图3中H与E之间的通信为例,如果H发送VSM单播报文的跳限设置为3,这时即使存在有效的中间连接网络,报文扩散到N时便会被丢弃,H与E之间仍无法通信。于是,将于跳限规定内支持的VSM单播报文可达范围称为扩散域,将两个能够通信的车载节点间最小的跳数定义为距离,例如H与E的距离为4,表示为|HE|为4。由于车载节点的快速移动,图3所示的网络环境发生变化,变化后的网络环境如图4所示,由于M和N不位于同一DM网络中,DM网络1和网络4之间不再有有效的DM网络进行连接,因此H和E不能通信。
综上所述,VANET中不同的车载节点能够通信有两个条件:
一是各自所在的DM网络之间存在有效的DM网络(或者DM网络的边界车载节点)将这两个DM网络连接起来,
二是需要进行通信的车载节点必须位于同一个扩散域内,它们之间的距离小于或等于VSM单播报文设定的跳限。
图4中,由于缺少有效的中间DM网络连接,K无法和E通信;而跳限设置为2时,由于距离大于跳限,H和F无法通信。
实施例一:
基于上述介绍,本优选实施例提供一种车载自组织网络的单播路由转发方法,包括VSM单播报文转发、通信关系表(MRT)表项建立过程和MRT更新维护过程。
VSM单播报文转发过程包括:
查询MRT步骤:第一车载节点产生或接收到目的IP地址(DstIP)是第二车载节点的第一车辆安全信息(VSM)单播报文后,以目的IP地址(DstIP)为索引项,查询存储的通信关系表(MRT),从MRT表项中获取对应的下一跳MAC地址(NextHopMAC);
发送VSM步骤:根据获取的NextHopMAC,向对应的下一跳车载节点发送第一VSM单播报文。
MRT表项建立过程包括:
首次接收步骤:第一车载节点接收第二车载节点发送的第二VSM单播报文,第二VSM单播报文的报头信息包括源IP地址(SrcIP)和第一源MAC地址(SrcMAC);
建立表项步骤:以SrcIP为索引项,第一车载节点查询MRT中是否存储有对应于第二车载节点的表项,若无,第一车载节点提取第一SrcMAC和SrcIP,并存储于MRT表项中,在MRT中建立对应于第二车载节点的表项。
优选地,建立的MRT表项包括SrcMAC栏、SrcIP栏、距离栏和表项更新时间栏;
上述的建立表项步骤中,根据SrcIP和第一SrcMAC,第一车载节点还获得第二VSM单播报文发送过程中经过的第一距离,并分别将SrcIP、第一SrcMAC和第一距离对应存储在SrcIP栏、SrcMAC栏和距离栏,同时将建立表项的实时时间作为第一更新时间对应存储在表项更新时间栏,建立对应于第二车载节点的表项。
MRT更新维护过程包括:
再次接收步骤:第一车载节点接收第二车载节点发送的第三VSM单播报文,第三VSM单播报文的报头信息包括第二SrcMAC和SrcIP,根据第二SrcMAC和SrcIP,获得第三VSM单播报文发送过程中经过的第二距离;
查询第二车载节点表项步骤:以SrcIP为索引项,第一车载节点查询MRT,从对应于第二车载节点的表项中获取第一SrcMAC、第一距离和第一更新时间;
比对步骤:第一车载节点提取第二SrcMAC和第二距离,将第二SrcMAC与第一SrcMAC比对,第二距离和第一距离比对;
更新维护MRT步骤:根据比对结果及更新策略,第一车载节点对MRT中对应于第二车载节点的表项进行更新或不更新操作。
进一步地,VSM单播报文转发过程还包括:
判断单播报文子步骤:第一车载节点接收到DstIP为第二车载节点的车载自组织网络(VANET)数据后,判断VANET数据是否为需要转发的第一VSM单播报文,若是,则依次执行查询MRT步骤和发送VSM步骤。
若VANET数据为多播报文,根据多播报文的多播地址,判断多播报文是否为VSM报文,若是,根据VSM报文的报头信息,同理也可以按照VSM单播报文转发过程转发多播报文,或按照MRT更新维护过程更新对应MRT,或按照MRT建立过程建立对应MRT。
一方面,基于下一跳技术,第一车载节点根据获取的NextHopMAC,向与NextHopMAC对应的下一跳车载节点发送第一VSM单播报文,第一VSM单播报文的转发不需要获取完整的路由信息,减轻网络负担,同时,无论第一车载节点和第二车载节点都发生快速移动还是缓慢移动,或有其他车载节点的加入或离开而导致密度增大或减小,都不会影响第一VSM单播报文的转发,且转发过程简单还不需考虑收敛的问题,高效且灵活。另一方面,MRT表项的建立和MRT更新维护过程中,只对应利用第二VSM单播报文和第三VSM单播报文的报头信息,而不需要完整的路由信息,使得MRT的表项对应的内容简单简洁。
实施例二:
与实施例一不同的是,本优选实施例中,查询MRT步骤具体包括:
生成MRT查询视图子步骤:第一车载节点产生或接收到DstIP为第二车载节点的第一VSM单播报文后,根据存储的MRT生成MRT查询视图,生成的MRT查询视图的表项包括NextHopMAC栏、DstIP栏,距离栏和表项更新时间栏,依次对应于MRT表项的SrcMAC栏、SrcIP栏、距离栏和表项更新时间栏;
获取NextHopMAC子步骤:以DstIP为索引项,第一车载节点从MRT查询视图的NextHopMAC栏中获取对应的NextHopMAC,之后执行实施例一中的发送VSM步骤。
优选地,更新维护MRT步骤具体包括:若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一SrcMAC与第二SrcMAC不同,且第一距离大于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一SrcMAC和第一距离对应更新为第二SrcMAC和第二距离并存储,同时将更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储。
进一步地,更新维护MRT步骤具体还包括:若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一SrcMAC与第二SrcMAC相同,且第一距离小于第二距离,则第一车载节点不更新对应于第二车载节点的表项。
进一步地,更新维护MRT步骤具体还包括:若第一更新时间显示表项久未更新,第一SrcMAC与第二SrcMAC不同,且第一距离小于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一SrcMAC和第一距离分别更新为第二SrcMAC和第二距离并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储。
进一步地,更新维护MRT步骤具体还包括:若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一SrcMAC与第二SrcMAC相同,且第一距离大于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一距离更新为第二距离并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址相同,且第一距离等于第二距离,则第一车载节点将比对步骤中比对的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项久未更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址相同,且第一距离等于第二距离,则第一车载节点将比对步骤中比对的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址不同,且第一距离等于第二距离,则第一车载节点不更新对应于第二车载节点的表项;
或,若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址不同,且第一距离小于第二距离,则第一车载节点不更新对应于第二车载节点的表项。
优选地,更新维护MRT步骤具体还包括:若第一更新时间显示表项久未更新,第一SrcMAC与第二SrcMAC相同,且第一距离大于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一距离更新为第二距离并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项久未更新,第一SrcMAC与第二SrcMAC相同,且第一距离小于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一距离更新为第二距离并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项久未更新,第一SrcMAC与第二SrcMAC不同,且第一距离大于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一SrcMAC和第一距离分别更新为第二SrcMAC和第二距离并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项久未更新,第一SrcMAC与第二SrcMAC不同,且第一距离等于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一SrcMAC更新为第二SrcMAC并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储。
这里,所谓的刚刚更新及久未更新可以这样理解,若第一更新时间与第二更新时间相差大于预设值,则表示久未更新,否则,视为刚刚更新,这里的预设值需要根据单播路由转发的实时情况选择。
对于更新维护MRT步骤,共有12中情形,参见表9,表9列出了所有可能出现的12种情形,需要说明的是,这12种情形可以全部同时作为更新策略用于MRT的更新维护,也可以只选择12种情形中的任意一种或多种(所谓多种为2-11种)作为更新策略用于MRT的更新维护。
为了详细说明本优选实施例中的技术方案,下面参照图3对车载自组织网络的单播路由转发方法中的三个过程进行详细介绍。
1.MRT表项的建立过程
通信关系表(MRT)用于记录各个车载节点间交互VSM单播报文的通信关系,借助MRT表项里存储的信息能够实现VSM单播报文转发的功能。这里将介绍MRT的由来及MRT表项的构成。
图3中,当跳限设置得足够大时,K能够收到图3中所有车载节点产生的VSM单播报文,这些VSM单播报文分为两类:一是与K处于相同DM网络的车载节点(例如H和L)产生的VSM单播报文,这些VSM单播报文直接交付给K;二是与K未处同一DM网络的车载节点(例如N和F)产生的VSM单播报文,这些VSM单播报文由DM网络的边界车载节点(例如L和M)转发给K。通过直接交付,K收到L产生的VSM单播报文,并获得VSM单播报文的报头信息如表1所示,由于直接交付,表1中VSM单播报文的报头信息所含的源MAC地址(SrcMAC)和源IP地址(SrcIP)都是L的。
SrcMAC | SrcIP |
LMAC | LIP |
表1(K收到VSM报头信息)
另一方面,借助DM网络中L的转发,K收到F产生的VSM单播报文,并获得VSM单播报文报头信息如表2所示,由于间接交付,可见表2中SrcMAC是L的,而SrcIP是F的。
SrcMAC | SrcIP |
LMAC | FIP |
表2(K收到VSM报头信息)
对于K而言,表1和表2中正好包括了K发送VSM单播报文(这里的VSM单播报文可以是K产生的,也可以是H发给K,需要K转发的)到L或F的下一跳源MAC地址(NextHopMAC),为让NextHopMAC更明晰,可以将这表1和表2组合在一起并做简单调换和重命名,如表3所示:
DstIP | NextHopMAC |
FIP | LMAC |
LIP | LMAC |
表3(K记录的下一跳信息)
当K要向F发送VSM单播报文时,通过查寻表3将给VSM单播报文封装成如表4所示的以太帧头部:
DstMAC | SrcMAC | DstIP | SrcIP |
LMAC | KMAC | FIP | KIP |
表4(K的单播报文封装信息)
表4中目的MAC地址(DstMAC)设置为L,便来自于表3中K记录的NextHopMAC。当K发往F的VSM单播报文到达DM网络的边界节点L时,通过查询表5,将给VSM单播报文封装成如表6所示的以太帧头部:
DstIP | NextHopMAC |
FIP | FMAC |
表5(L记录的下一跳信息)
DstMAC | SrcMAC | DstIP | SrcIP |
FMAC | LMAC | FIP | KIP |
表6(L的单播报文封装信息)
于是,L将VSM单播报文直接交付给F,最终完成从K到F的发送工作。
可以看到K记录的表3中包含有如何转发和交付单播报文的NextHopMAC,其与转发信息表(FIB)类似。为了与传统的RIB和FIB区分开来,并凸显出表3由VSM单播报文处理而来,将表3命名为通信关系表(MRT)。
本发明中,对表3进一步变形,形成的MRT如表7所示(以K举例),表7即为K中存储的MRT,相对表3,表7增加了距离栏和表项更新时间栏。MRT表项包括SrcMAC栏、SrcIP栏、距离栏和表项更新时间栏,其中,SrcMAC栏对应表3的NextHopMAC栏,SrcMAC栏对应表3的DstIP栏:
SrcMAC | SrcIP | 距离 | 表项更新时间 |
LMAC | FIP | |KF| | xxx |
LMAC | LIP | |AL| | yyy |
…… | …… | …… | …… |
表7(K存储的MRT)
表7中,SrcMAC栏表示K收到的VSM单播报文(由直接交付或者转发而来)的SrcMAC,SrcIP栏表示产生VSM单播报文的SrcIP,距离栏和表项更新时间栏用于MRT的更新和维护。
在K需要发送或者转发VSM单播报文时,查询MRT的表项,生成MRT查询视图,生成的MRT查询视图如表8所示,包括NextHopMAC栏、DstIP栏、距离栏和表项更新时间栏,MRT查询视图中清晰记录了NextHopMAC:
NextHopMAC | DstIP | 距离 | 表项更新时间 |
LMAC | FIP | |KF| | xxx |
LMAC | LIP | |KL| | yyy |
…… | …… | …… | …… |
表8(MRT查询视图)
对照表7和表8可以看出,表8中的NextHopMAC栏对应表7中SrcMAC栏,表8中的DstIP栏对应表7中的SrcIP栏,也就是说,表7和表8只是表述形式不同,但实质相同。在K发送或转发VSM单播报文时,从VSM单播报文的报头信息获取SrcIP,将SrcIP作为索引项(根据表7和8,SrcIP和DstIP其实相同),查询对应的SrcMAC(根据表7和8,SrcMAC和NextHopMAC其实相同),生成如表8所示的MRT查询视图,并获取对应的NextHopMAC。
综上所述,在VANET中的车载节点,依照VSM单播报文的报头信息完成表7MRT表项记录后,对应车载节点就具备了向表8中DstIP栏所包括的所有车载节点发送和转发VSM单播报文的能力。
2.MRT的更新维护过程
如表8所示,MRT查询视图的表项包括DstIP栏(对应表7中SrcIP栏)、NextHopMAC栏(对应表7中SrcMAC栏)、距离栏和表项更新时间栏,其中,DstIP栏和NextHopMAC栏用作VSM单播报文发送和转发查询时使用,距离栏和表项更新时间栏则用于MRT的更新和管理,及时产生正确的NextHopMAC。
对于MRT的更新策略,遵循以下原则:若表项刚刚更新过,则趋向于不改变表项内容,除非收到距离更近的下一跳信息,否则不做任何操作。若表项久未更新,则趋向于采用最新的信息修改表项内容。本发明采用的MRT更新策略具体如表9所示,表9中,时间代表表项更新时间,下一跳代表NextHopMAC:
表9(MRT更新策略)
根据MRT表项的表项更新时间栏、距离栏和NextHopMAC栏三项内容变化指标的组合,更新策略中详细列出了所有可能出现的12种情形。需要特别指出的三种情形如下:
一是表项更新时间为刚刚更新,接收到距离更近的NextHopMAC,且NextHopMAC发生改变的VSM单播报文,车载节点即会更新存储的MRT表项中对应的NextHopMAC、距离和表项更新时间,这种情形多发生两个快速靠近的车载节点上。
二是表项更新时间为刚刚更新,而收到距离更远,且NextHopMAC相同的VSM单播报文,则不会做任何操作,这一情形在车载节点数较多、单个DM网络车载节点也较多的网络中经常发生,例如图4中K通过DM网络边界节点L收到DM网络2中F或G的信息,由于F和G会互相转发各自产生的VSM单播报文并通过L直接交付给K,这时K收到这些VSM单播报文的下一跳仍为L,而距离会更远。
三是表项更新时间为久未更新,收到距离更远且NextHopMAC改变的VSM单播报文,车载节点会果断更新存储的MRT表项中对应的NextHopMAC、距离和表项更新时间,这种情形多出现在网络车载节点数较少且距离逐渐增大的车载节点上。
需要说明的是,在更新MRT中NextHopMAC时,应根据网络环境采用不同的阈值和判别标准以灵活应用场景。
3.VSM单播报文的转发
VANET单播路由设计中,根据VSM单播报文的报头信息建立和更新MRT表项,车载节点直接简单的查询MRT表项便能得出NextHopMAC,完成VSM单播报文发送和转发工作,该工作在VANET的协议栈的网络层展开,转发流程如图5所示,在数据的接收流程中,将判断来自下层(数据链路层)的VANET数据是否为需要转发的VSM单播报文,若是则将快速地执行VSM单播报文转发操作,若不是则继续完成处理。对于多播报文,将根据多播地址判断其是否为VSM报文,如果是则根据VSM报文的报头信息及时更新MRT,为单播路由和转发提供依据。随后,将SrcIP为本车载节点的VSM单播报文或为关心的多播地址的报文交给上层用户数据报协议(UDP)完成进一步操作。从图5看出,对SrcIP为本车载节点的VSM单播报文,发送流程相当简单;而对于VSM单播报文立即执行下一跳查询和快速发送操作并交给下层的数据链路层完成发送工作。当采用正确的方法更新和维护MRT表项时,VANET中VSM单播报文的即时性将保证MRT表项中NextHopMAC的准确和可靠。
接下来,再以图3所示的DM网络中K上MRT表项的建立、MRT表项的更新和维护及VSM单播报文的转发为例,具体以图3中K与N之间的通信为例。该例中,第一车载节点可看作K,第二车载节点可看作N。
(1)建立MRT表项
刚开始时,K成功收到N产生的第二VSM单播报文。由于是第一次收到N产生的第二VSM单播报文,因此K需建立对应于N的MRT表项,步骤如下:
K第一次收到N产生的第二VSM单播报文,第二VSM单播报文的报头信息包括SrcIP和第一SrcMAC;
以SrcIP是NIP为索引项,K查询MRT中是否存储有对应于N的表项时,未找到该表项,因此K需要在MRT中建立与N对应的表项,对应于N的表项包括SrcMAC栏和SrcIP栏及距离栏、表项更新时间栏;
K提取第二VSM单播报文的报头信息内的第一SrcMAC和SrcIP,分别为MMAC和NIP,根据SrcIP和第一SrcMAC(也就是MMAC和NIP),K还获得第二VSM单播报文发送过程中的第一距离为2,K将MMAC存储在MRT表项中的SrcMAC栏,NIP存储在MRT表项中的SrcIP栏,将2存储在距离栏,之后,MRT表项中与N对应的表项即建立,建立与N对应的表项的实时时间作为第一更新时间存储在表项更新时间栏,K建立的N的表项内容如表10所,;
表10(K收到N的VSM后添加新MRT表项)
从SrcMAC栏可知第二VSM单播报文由M交付给K,而SrcIP栏表示第二VSM单播报文由N产生。
将与N对应的表项添加到K的MRT后,K就能将所有DstIP为NIP的VSM单播报文顺利转发给N。这些VSM单播报文由两类组成:K产生并发往N的VSM单播报文;其它车载节点发送给K,并需要K转发给N的VSM单播报文。
(2)更新维护MRT表项
当成功向K的MRT表项中添加与N对应的表项后,只要K再次收到N产生的VSM单播报文,K都会利用VSM单播报文的报头信息并根据表9中展示的更新策略实时更新MRT表项中与N对应的表项。
图3中,假设N和E发生移动,由于N和E的移动,导致网络拓扑发生变化,变化后的VANET单播路由网络环境请参见图6。当K收到N发送的第三VSM单播报文时,对MRT中对应于N的表项的更新维护步骤如下:
当网络拓扑发生变化后,K过一段时间收到N发送的第三VSM单播报文,第三VSM单播报文的报头信息包括第二SrcMAC和SrcIP;
K从第三VSM单播报文的报头信息获取第二SrcMAC和SrcIP,第二SrcMAC和SrcIP分别为LMAC和NIP,K还根据第二SrcMAC和SrcIP,获得第三VSM单播报文发送过程中经过的第二距离为3,同时,以SrcIP是NIP为索引项,K查询存储的MRT表项中与N对应的表项,从对应于N的表项中获取到第一SrcMAC、第一距离和第一更新时间,将第二SrcMAC和第一SrcMAC、第二距离和第一距离分别对比发现,对应于N的表项中,SrcMAC栏和距离栏均发生变化,并且,第一更新时间也表明N的表项在这之前是久未更新,根据表9的更新策略,对应于久未更新、距离更远且NextHopMAC改变的情况,K更新并存储MRT中与N对应的表项,更新后的对应于N的表项如表11,SrcMAC栏、距离栏和表项更新时间栏均更新,更新的实时时间作为第二更新时间存储在表项更新时间栏中。
表11(MRT表项更新后与N对应的表项)
从表11的SrcMAC栏中可知,N产生的第三VSM单播报文由L交付给K,距离为3,至此,K上MRT中的与N对应的表项当次更新完成,表9所示的更新策略已将当前由VSM单播报文更新MRT表项时将出现的所有情况完全列出,因此该更新策略是完备的、适用于所有可能发生的12种情形,其它情形的更新,此处就不一一举例。
(3)VSM单播报文的转发
前面分别详细说明了MRT表项的建立和更新维护过程,这里将详细说明利用MRT表项进行查询,完成VSM单播报文的转发过程。当K接收到DstIP为N的单播报文(需转发)或者K自己产生的DstIP为N的单播报文时,需要通过如下步骤获取VSM单播报文路由(转发)的NextHopMAC,假设查询MRT时,VANET单播路由的网络环境对应于图6所示,于是,当K接收到DstIP为N的第一VSM单播报文时,根据存储的MRT生成MRT查询视图,生成的MRT查询视图的表项包括NextHopMAC栏、DstIP栏,距离栏和表项更新时间栏,依次对应于MRT表项的SrcMAC栏、SrcIP栏、距离栏和表项更新时间栏;之后,以DstIP是NIP为索引项,查询存储的MRT表项,获取对应的NextHopMAC,如下表12所示:
表12(K的MRT查询表)
根据DstIP为NIP,查询到VSM单播报文的NextHopMAC实时值为LMAC;,K成功将第一VSM单播报文转发给L,L再根据自身存储的MRT,按照上述同样的方法,获取对应的NextHopMAC为G,L将第一VSM单播报文转发给G,G同样根据自身存储的MRT,并按照上述同样的方法,获取对应的NextHopMAC为N,G将第一VSM单播报文转发给N,至此,第一VSM单播报文成功经由K、L、G转发至N。VSM单播报文转发时,查询到的NextHopMAC值为实时查询值,其仅适用于查询时刻,由于车载节点的移动,NextHopMAC信息随时都可能发生改变。
VSM单播报文的有效扩散是VANET中最基本、最核心且优先级最高的一种信息,车载节点间VSM单播报文交换和扩散是VANET强制要求。本发明利用VSM单播报文的交付信息,完成通信关系表(MRT)表项的建立和更新。虽然MRT仅保留了下一跳信息,但该方法简单可行。另一方面,省去路由信息交换、计算、更新等等冗长的过程,VSM单播报文的即时性保证了下一跳信息的有效和可靠性。MRT用于记录车载节点间VSM单播报文的关系和交付信息,借助MRT里存储的信息能够实现单播路由的功能。在网络协议栈中,当车载节点接收到VSM单播报文后,根据其首部信息及时更新MRT,为单播路由和转发提供依据和信息。
本实施例技术方案带来如下有益效果:
(1)简单:基于下一跳方法的转发技术仅保留下一跳地址而不是完整的路由信息,该方法的表项简单、易于实现。
(2)减少网络通信负担:从强制要求的基本单播报文VSM中获取路由转发信息,而不再引入车载节点间专用的路由信息交互单播报文,有效的减少了网络背景流量,从而提升了网络中业务通信能力。
(3)实时且可靠:作为网络最高优先级的VSM单播报文通信,其周期且及时的扩散保证了获取的路由转发信息的实时性和可靠性。
(4)灵活、开销低:基于下一跳方法的转发技术不需考虑收敛的问题,加之VSM周期且及时的扩散,本路由转发技术高效且灵活,系统开销小。
(5)适用范围广:从VSM单播报文协议首部获取路由转发信息而不依赖车载节点的地理位置信息(GPS信息),本实施例仅需VSM单播报文的通信,因此适用于地理位置信息获取不稳定(立交桥下或物体阻挡等情况)或没有地理位置信息(隧道中)的车载节点。
另外,需要说明的是,本实施例中所用的“第一、第二和第三”,不具备实质性意义,更没有先后逻辑顺序之分,如:第一车载节点和第二车载节点这二者的实际意义和具体实施方式中K、L、F、M、N、E、G和H一致,都仅仅是代表不同的车载节点,在具体实施方式中,之所以采用K、L、F、M、N、E、G和H进行阐述,是因为相对于采用第一车载节点和第二车载节点之类的表达方式,其显得更简洁明了。
实施例三:
本实施例提供一种芯片,芯片采用实施例一或二的单播路由转发方法进行信息的发送或接收。
实施例四:
本实施例提供一种通信系统,通信系统包括多个车载单元,多个车载单元之间采用如实施例一或二的单播路由转发方法进行通信。本实施例中,多个为至少二个。
本领域技术人员可以理解,上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成,该程序可以存储于一计算机可读存储介质中,存储介质可以包括:只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换。
Claims (11)
1.一种车载自组织网络的单播路由转发方法,包括车辆安全信息单播报文转发过程,车辆安全信息单播报文转发过程包括:
查询通信关系表步骤:第一车载节点产生或接收到目的IP地址是第二车载节点的第一车辆安全信息单播报文后,以目的IP地址为索引项,查询存储的通信关系表,从通信关系表表项中获取对应的下一跳MAC地址,不需要获取完整的路由信息;
发送车辆安全信息步骤:根据获取的下一跳MAC地址,向对应的下一跳车载节点发送第一车辆安全信息单播报文;
所述单播路由转发方法,还包括通信关系表表项建立过程,通信关系表表项建立过程包括:
首次接收步骤:第一车载节点接收第二车载节点发送的第二车辆安全信息单播报文,第二车辆安全信息单播报文的报头信息包括源IP地址和第一源MAC地址;
建立表项步骤:以源IP地址为索引项,第一车载节点查询通信关系表中对应于第二车载节点的表项,若无,第一车载节点提取第一源MAC地址和源IP地址,并存储于通信关系表表项中,在通信关系表中建立对应于第二车载节点的表项;
还包括通信关系表更新维护过程,通信关系表更新维护过程包括:
再次接收步骤:第一车载节点接收第二车载节点发送的第三车辆安全信息单播报文,第三车辆安全信息单播报文的报头信息包括第二源MAC地址和源IP地址,根据第二源MAC地址和源IP地址,获得第三车辆安全信息单播报文发送过程中经过的第二距离;
查询第二车载节点表项步骤:以源IP地址为索引项,第一车载节点查询通信关系表,从对应于第二车载节点的表项中获取第一源MAC地址、第一距离和第一更新时间
比对步骤:第一车载节点提取第二源MAC地址和第二距离,将第二源MAC地址与第一源MAC地址比对,第二距离和第一距离比对;
更新维护通信关系表步骤:根据比对结果及更新策略,第一车载节点对通信关系表中对应于第二车载节点的表项进行更新或不更新操作。
2.如权利要求1所述的单播路由转发方法,其特征在于,
通信关系表表项包括源MAC地址栏、源IP地址栏、距离栏和表项更新时间栏;
建立表项步骤中,根据源IP地址和第一源MAC地址,第一车载节点还获得第二车辆安全信息单播报文发送过程中经过的第一距离,并分别将源IP地址、第一源MAC地址和第一距离对应存储在源IP地址栏、源MAC地址栏和距离栏,同时将建立表项的实时时间作为第一更新时间对应存储在表项更新时间栏。
3.如权利要求1或2所述的单播路由转发方法,其特征在于,车辆安全信息单播报文转发过程还包括:
判断单播报文子步骤:第一车载节点接收到目的IP地址为第二车载节点的车载自组织网络数据,先判断车载自组织网络数据是否为需要转发的第一车辆安全信息单播报文,若是,则依次执行查询通信关系表步骤和发送车辆安全信息步骤。
4.如权利要求2所述的单播路由转发方法,其特征在于,查询通信关系表步骤具体包括:
生成通信关系表查询视图子步骤:第一车载节点产生或接收到目的IP地址为第二车载节点的第一车辆安全信息单播报文后,根据存储的通信关系表生成通信关系表查询视图,生成的通信关系表查询视图的表项包括下一跳MAC地址栏、目的IP地址栏,距离栏和表项更新时间栏,依次对应于通信关系表表项的源MAC地址栏、源IP地址栏、距离栏和表项更新时间栏;
获取下一跳MAC地址子步骤:以目的IP地址为索引项,第一车载节点从通信关系表查询视图的下一跳MAC地址栏中获取对应的下一跳MAC地址,之后执行发送车辆安全信息步骤。
5.如权利要求1所述的单播路由转发方法,其特征在于,更新维护通信关系表步骤具体包括:
若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址不同,且第一距离大于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一源MAC地址和第一距离对应更新为第二源MAC地址和第二距离并存储,同时将更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储。
6.如权利要求1所述的单播路由转发方法,其特征在于,
更新维护通信关系表步骤具体还包括:
若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址相同,且第一距离小于第二距离,则第一车载节点不更新对应于第二车载节点的表项。
7.如权利要求1所述的单播路由转发方法,其特征在于,
更新维护通信关系表步骤具体还包括:
若第一更新时间显示表项久未更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址不同,且第一距离小于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一源MAC地址和第一距离分别更新为第二源MAC地址和第二距离并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储。
8.如权利要求1所述的单播路由转发方法,其特征在于,更新维护通信关系表步骤具体还包括:
若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址相同,且第一距离大于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一距离更新为第二距离并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址相同,且第一距离等于第二距离,则第一车载节点将比对步骤中比对的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项久未更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址相同,且第一距离等于第二距离,则第一车载节点将比对步骤中比对的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址不同,且第一距离等于第二距离,则第一车载节点不更新对应于第二车载节点的表项;
或,若第一更新时间显示表项刚刚更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址不同,且第一距离小于第二距离,则第一车载节点不更新对应于第二车载节点的表项。
9.如权利要求1所述的单播路由转发方法,其特征在于,更新维护通信关系表步骤具体还包括:
若第一更新时间显示表项久未更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址相同,且第一距离大于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一距离更新为第二距离并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项久未更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址相同,且第一距离小于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一距离更新为第二距离并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项久未更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址不同,且第一距离大于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一源MAC地址和第一距离分别更新为第二源MAC地址和第二距离并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储;
或,若第一更新时间显示表项久未更新,第一源MAC地址与第二源MAC地址不同,且第一距离等于第二距离,则第一车载节点将对应于第二车载节点的表项中的第一源MAC地址更新为第二源MAC地址并存储,同时将此次更新的实时时间作为第二更新时间,对第一更新时间进行更新并存储。
10.一种芯片,采用如权利要求1-9任一所述的单播路由转发方法进行信息的发送或接收。
11.一种通信系统,包括多个车载单元,所述多个车载单元之间采用如权利要求1-9任一所述的单播路由转发方法进行通信。
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GR01 | Patent grant | ||
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