CN105682046A - 车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法。其过程为车辆节点监听到邻居车辆发出的兴趣包，车辆节点从兴趣包中提取出前一跳车辆的位置L，行驶车速V₁和行驶方向D₁；然后车辆节点根据听等时间公式计算出等待时间，进入监听状态；当等待时间结束时还未监听到其他车辆转发该兴趣包，则车辆节点转发该兴趣包，若在等待时间结束前监听到有其他车辆转发该兴趣包，则取消转发。结合数据属性系数改变听等时间计算结果，使得适合帮助该属性数据转发的车辆具有最小的等待时间，完成转发车辆选择，在保证了兴趣包的分发速率同时，提高了数据包的回传成功率和平均传输时延。

Description

车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法

技术领域

本发明涉及车载命名数据网络数据分发领域，特别涉及兴趣包转发监听等时间公式设计、数据属性因子计算、兴趣包转发模型设计。

背景技术

工业界和学术界对于车载网络的研究已经超过了数十年，相关的学术成果包括车间多跳路由算法，移动性管理方案等等。其中传统的多跳路由算法包括先应式的WRP、DSDV，反应式的DSR、AODV，以及混合式的ZRP、HARP等等。先应式路由是由有线网络路由协议直接移植过来的，就像有线网络那样，先应式路由首先建立一个到达可达节点的最优路径表并持续维护该表，更新所有节点的路由信息。反应式路由是为了避免先应式路由产生的大量网络开销，只在需要发送信息的时候建立一条路由路径，是一种按需运行方式。混合式则是按场景需要将先应式与反应式混合使用。可不论是先应式，反应式还是混合式路由模式，节点都需要消耗大量的资源和网络开销来更新网络路径表，而由于车载网络节点移动速度快，网络拓扑变化频繁，其中不但发送节点与接收节点可能移动，被选中的中间路径节点也会随时移动，所以这种网络路由算法很容易因节点网络拓扑更新不及时造成通信失败。Haerri等人的文章展示出上述传统adhoc路由算法在车载网络中表现出的高延迟和高丢包率(参见文献：HaerriJ,FilaliF,BonnetC.PerformancecomparisonofAODVandOLSRinVANETsurbanenvironmentsunderrealisticmobilitypatterns[C]//Proc.of5thIFIPMediterraneanAd-HocNetworkingWorkshop(Med-Hoc-Net-2006),Lipari,Italy.2006,1045.)。

命名数据网络(Nameddatanetworking)作为一种近年来被提出的新型网络架构，可以从根本上改变车载网络的设计方式。作为信息中心网络的一个分支，命名数据网络直接应用数据名称来实现数据的分发。相对于当前IP网络架构中将数据发送给某个特定的车辆，车载命名数据网络则是直接去获取某个特定的数据，而在车载网络中，数据的名称相对于节点的网络拓扑更加稳定，所以车载命名数据网络相对于以点对点为核心的IP网络架构能更好的适应网络拓扑的变化，并且车载命名数据网络去除了为车辆分配IP地址的需要，数据自认证的方式可以使车载网络的数据通信更加安全。

命名数据网络首次由Jacobson在文章中提出(参见文献：JacobsonV,SmettersDK,ThorntonJD,etal.Networkingnamedcontent[C]//Proceedingsofthe5thinternationalconferenceonEmergingnetworkingexperimentsandtechnologies.ACM,2009:1-12.)，文章提出网络内有三种主要的网络实体：数据生产者，数据消费者和转发者。通常每个网内实体都会维护三个表：缓存表(ContentStore-CS)，待满足兴趣表(PendingInterestTable-PIT)和转发信息表(ForwardingInformationTable-FIB)。其中CS记录了节点接收并缓存下来的数据，PIT则记录了已经通过此节点转发出去但还未收到传回数据的兴趣包以及对应的上一跳节点，FIB是通过网内路由协议维护的数据名称与对应下一跳接口的信息，这与当前TCP/IP架构中路由器的转发表的功能基本类似，但它允许匹配多个端口进行转发。图1展示了命名数据网络中的数据转发过程。当一个兴趣包到达节点，节点会首先查询CS表，如果有匹配数据，则立即回传；若CS中没有，则检查PIT表中是否有相同兴趣包转发记录，如果有则直接在对应PIT记录中添加此次传来兴趣包的接口；如果CS和PIT都没有记录，则查询FIB寻找下一跳接口并添加PIT记录。对应的当一个数据包回传进来时，节点会通过PIT记录将数据回传给请求接口，以此可以依次回传直至到达数据请求者。如果一个数据到达但PIT中没有记录，这说明该数据是未被请求过的，出于安全考虑将会被直接丢弃。其中不论是兴趣包还是数据包都不会携带IP地址，兴趣包的转发完全基于包内的数据名称，而数据包回传则完全基于节点对应PIT中的记录。

与当前IP网络架构点对点的传输模式不同，用户在命名数据网络中获取信息的方式是发出带有所需数据名的兴趣包，用户并不关心所要的数据是由数据产生者发回还是由沿途某个节点缓存提供的。这种架构非常适合车载网络的应用环境，例如，在车载网络中，用户并不关心前两段路口的红绿灯信息亦或某个停车场的车位信息是由哪个车辆提供的，驾驶人员关心的只是数据本身。相比于去找某个特定的并且随时移动的车辆，车载命名数据网络则是去找某个数据，由于数据的名称比动态的网络拓扑结构更加稳定，所以车载命名数据网络更能适应车辆移动带来的频繁拓扑变化。图2表示了车载命名数据网络与当前车载网络传输模式对比。

发明内容

通过仿真以及研究现有技术发现，仅仅考虑车间距离的转发模式不能完全适应车载网络的应用场景，该模式虽然在转发单数据块组成的数据时可以表现出较短的数据获取延迟，例如红绿灯信息，路况信息，停车位信息等一些由单个数据包即可表达的内容。但是当车载应用需求的数据为多数据块数据时，例如街道照片，音乐，语音信息等等需要切割成多个数据块依次回传的数据，该机制表现出了较高的数据回传延时和数据接收失败率。仅依靠距离选择下一跳节点的路由算法仿真结果显示出，单数据块的数据回传平均延时为1秒，而多数据块的回传平均延时为86秒，我们认为造成多数据块数据回传延时很高的原因是由于车辆的移动，在后续数据块回传过程中，此前帮忙转发兴趣包，拥有此PIT记录的车辆有可能驶出通信范围，使得数据包无法回传给请求者。

为了解决上述问题本发明采用了如下技术方案：车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法，包括以下步骤：

车辆节点监听到邻居车辆发出的兴趣包，车辆节点从兴趣包中提取出前一跳车辆的位置L，行驶车速V₁和行驶方向D₁；然后车辆节点根据听等时间公式计算出等待时间，进入监听状态；当等待时间结束时还未监听到其他车辆转发该兴趣包，则车辆节点转发该兴趣包，若在等待时间结束前监听到有其他车辆转发该兴趣包，则取消转发。所述邻居车辆为车辆节点传输半径内的车辆。

以上所述听等时间公式为

T_wait＝W₁·T_dis+W₂·T_vc+W₃·T_location+T_ca

式中T_wait为听等时间，T_dis为车辆间距时间，T_VC为车辆状况时间，T_location为车辆位置时间，T_ca为冲突避免时间，W₁、W₂和W₃分别表示T_dis、T_VC和T_location的属性系数。

具体地，所述车辆间距时间T_dis的计算方式为

$T_{dis}=T_{cons\tan t}\·\frac{D_{max}-D_{(sender,transmitter)}}{D_{max}}$

其中T_constant为时间影响常数，取值为5ms，D_max为车辆传输半径，即信号能传到的最远距离，D_{(sender,transmitter)}为车辆节点(即当前转发车辆)与上一跳发送车辆的距离，该距离可以由兴趣包中携带的上一跳车辆位置L和本车辆当前位置求得。

具体地，所述车辆状况时间T_VC的计算方式如下

T_VC＝T_constant·(|V₂-V₁|+|D₂-D₁|)·S

其中T_Constant为时间影响常数，V₂和V₁分别为车辆节点(即当前转发车辆)和上一跳发送车辆的行驶速度，D₂与D₁分别代表车辆节点(即当前转发车辆)行驶方向与上一跳发送车辆行驶方向，S代表车辆节点(即当前转发车辆)是否为固定路线车辆且经过特定区域，如果条件符合，则S＝0，如果条件不符合，即为车辆为非固定路线车辆或者路线不经过对应数据产生区域，则S＝1。

在以上方案的基础上，还包括将兴趣包多请求的数据分为四类，主动安全信息，公共服务信息，提高驾驶感受信息以及商业与娱乐信息，然后根据兴趣包指向的数据属性，分配属性系数W₁，W₂，W₃的值。属性系数W₁，W₂，W₃的值采用三标度层次分析法计算得到。

针对已有车载命名数据网络兴趣包转发算法只考虑车辆间距造成的大容量数据包回传成功率低以及延迟高等问题，针对车载网络数据属性特点，本发明提出一种基于数据属性的车载命名数据网络兴趣包转发策略，设计出带有数据属性系数的听等时间公式，车辆节点监听到邻居车辆发出的兴趣包后，立即根据听等时间公式计算出等待时间，随后进入听等转发状态，当等待时间结束时还未监听到有其他车辆转发该兴趣包，则本车辆转发，若在等待时间结束前监听到有其他车辆转发该兴趣包，则取消本次转发。结合数据属性系数改变听等时间计算结果，使得适合帮助该属性数据转发的车辆具有最小的等待时间，完成转发车辆选择，在保证了兴趣包的分发速率同时，提高了数据包的回传成功率和平均传输时延，同时降低了网内兴趣包冗余，避免广播风暴。

附图说明

图1为命名数据网络中的数据转发过程；

图2为车载IP网络与车载命名数据网络对比；

图3为兴趣包发出阶段图示；

图4为数据包回传阶段图示；

图5为车辆通信覆盖区域图示；

图6为本发明流程示意图；

图7为本发明车辆兴趣包转发操作流程图。

具体实施方式车载网络数据分类及其属性

以下结合附图和具体实例对本发明的实施作具体描述。

下面结合图3和图4详细解释车载命名数据网络中的数据传输应用过程。

假设图3中的车辆Sender想获取前方一个路口处停车场P的实景图片，Sender发出一个包含“/picture/park/chongwen/p1/”名字的兴趣包，其中/picture/表示实景图片，/park/表示是请求某个停车场的实景图片，/chongwen/表示所指定的停车场是位于崇文路上，/p1/为停车场的名称。如果该兴趣包仅根据传输范围内最远车辆帮忙转发的机制，图3中的与sender行驶方向相反的车辆N1将帮忙转发该兴趣包，并在自己的PIT表中加入一条记录，因为停车场P不在N1的当前感应范围内，所以N1继续帮忙转发该兴趣包，此时车辆D将收到该兴趣包，车辆D在收到兴趣包之后，解释出兴趣包所请求的内容，并感应到停车场P在自己的拍照范围内，D便会打开摄像头，拍下停车场P的照片，生成满足该兴趣包的数据包，对应数据包的名称也为“/picture/park/chongwen/p1/01/”，其中“/01/”代表将此图片数据分割成多个数据块依次回传，然后D将该数据包广播，此时如果N1仍在车辆D的传输范围内，N1将收听到该数据包，并查找自己的PIT表，由于之前已经建立了相关记录，N1将会得知是车辆Sender通过自己表达了对于该数据的请求，由此N1继续将该数据包广播，车辆Sender就会接收到对应的数据。通过仿真发现，这种机制在处理单数据块，即小容量的数据时(数据平均大小为1KB)，表现出了高效的数据获取性能，平均数据获取时间为1秒，但是当请求的数据为多数据块数据时，例如歌曲，网页，沿街商铺的优惠信息或者街景图片时，表现出了很高的数据获取延时，平均为81秒。产生此现象的原因我们通过图4作出解释。

图4的实例与图3对应，既当D形成停车场P的实景图片，图片大小为6.3KB，在命名数据网络中，大的数据将会被切割成连续的小数据块(chunks)以此传回，仿真环境下，该图片被切割成5个小数据块以此传回，但在回传的过程中，N1可能会移动，以图4为例，N1行驶出了D的传输范围，而车辆N2虽然在D的传输范围内，但之前不是N2帮忙转发的兴趣包，其PIT表中没有对应记录，所以N2接收到该数据时，只是将数据保存下来，不进行广播，由此Sender无法成功获取完全的消息。由此可以得出，大容量的数据对于数据包回传的稳定性要求更加严格，也就是对于车辆移动性的要求更加严格，而现有关于车载命名数据网络兴趣包转发的研究仅以车间距离为转发者选择依据的机制，无法满足车载网络环境中对于不同属性的数据获取的要求。

参见图6和图7，本发明的流程是：车辆节点监听到邻居车辆发出的兴趣包，车辆节点从兴趣包中提取出前一跳车辆的位置L，行驶车速V₁和行驶方向D₁；然后车辆节点根据听等时间公式计算出等待时间，进入监听状态；当等待时间结束时还未监听到其他车辆转发该兴趣包，则车辆节点转发该兴趣包，若在等待时间结束前监听到有其他车辆转发该兴趣包，则取消转发。所述邻居车辆为车辆节点传输半径内的车辆。

本发明新设计了车辆的转发等待公式，在考虑车间距离的基础上，增加了新的变量，通过改变等待时间的方式，选择最佳转发节点。车辆在收到某个兴趣包后，会立刻根据听等公式计算出一个听等时间并开始进入听等阶段，如果在此等待过程中收听到其他车辆帮助转发了该兴趣包，即为有更合适的节点已帮助转发此兴趣包，车辆即停止等待并取消任务，如果在听等时间结束后还未收听到该兴趣包被转发，即认为自己是最合适的转发车辆并转发该兴趣包。

T_wait＝W₁·T_dis+W₂·T_vc+W₃·T_location+T_ca(1)

公式(1)表示了新的听等时间计算方式，下面我们依次介绍每个时间变量的含义。

节点间距时间(T_dis)

研究结果表明，车载网络中的数据往往呈现很高的区域有效性，比如某个路段因为发生交通事故而暂时封锁，那么该信息对以封锁点为中心的数公里内车辆都有价值，此类消息的快速扩散可以使区域内车辆及时得知信息并调整自己的行驶路线，避开事发路段。因此此类属性的车载信息需要快速的由产生点扩散至某个范围的区域内，选择通信范围内距离最远的车辆帮助转发可以达到最快扩散的目的。优先让较远距离的车辆帮助转发信息还可以有效减少网内的数据数量，单跳距离越长，信息的密度就越小，可以有效防止数据拥塞。

实现优先让较远车辆帮助转发的方式是让距离较远的车辆等待时间较少，这样在其他参数相同时，距离较远的车辆会优先读完听等时间并帮助转发信息。具体方式是在听等时间公式中加入一个节点间距时间T_dis。

$T_{dis}=T_{cons\tan t}\·\frac{D_{max}-D_{(sender,transmitter)}}{D_{max}}---\left(2\right)$

其中T_Constant为时间影响常数，D_max为车辆传输半径，即为信号能传到的最远距离，D_{(sender,transmitter)}为当前转发车辆与上一跳发送车辆的距离，该距离可以由兴趣包中携带的上一跳车辆位置信息和本车辆当前位置信息求得。本发明设定T_Constant＝5ms，D_max＝150米。

车辆状况时间(T_vc)

当请求数据对象较大，需分割成多数据块进行回传时，车辆的移动性会对数据回传成功率造成影响，存有对应PIT目录的车辆驶离上一跳车辆的通信范围后，数据包回传无法继续，因此，当转发具有多数据块属性的对象时，选择与当前车辆行驶方向相同，车速相近的车辆，更能保证数据的可靠回传。

特别的，现实道路上中还存在有固定行驶路线的车辆集，例如公交车，班车等，车辆在收听到对应兴趣包后，会对所请求的数据进行识别，当请求对象为某个特定区域所能生成的数据时(例如停车场的车位信息只能由停车场中设置的RSU产生并发出)，车辆会打开车载电子地图并定位对应区域位置，若当前车辆为固定路线车辆且行驶路线经过该特定区域，会优先通过当前车辆转发，固定的行驶路线可以减少中间车辆驶离上一跳车辆转发范围的几率。

因此T_vc的公式如下所示：

T_vc＝T_constant·(|V₂-V₁|+|D₂-D₁|)·S(3)

其中T_Constant仍为时间影响常数，V₂和V₁分别为当前车辆(即车辆节点)和上一跳车辆的行驶速度，当前车辆与上一跳车辆行驶车速相近时，当前车辆可以获得较少的听等时间，从而优先结束听等过程进入转发过程,；D₂与D₁分别代表当前车辆行驶方向与上一跳车辆行驶方向，我们这里设置D₁为1，如果D₂与D₁相同，则为1，相反则为-1；S代表当前车辆是否为固定路线车辆且经过特定区域，如果条件符合，则S＝0，如果条件不符合，即为车辆为非固定路线车辆或者路线不经过对应数据产生区域，S＝1。

车辆位置时间(T_location)

命名数据网络的核心思想是通过成本不断降低的存储设备提高数据的分发速度，所以兴趣包单跳能覆盖的车辆越多，数据命中缓存的几率就越高，而研究显示城市中密集的建筑会阻挡车载无线信号的传播，如图5所示，所以在单跳情况下想要覆盖更多的车辆，需要优先选择处于路口的车辆。

如图5所示，本实施例中将十字路口分成两部分，中心部分称为P1，外围部分称为P2。位于P1的车辆会有更少的T_location，这样可以有效增加车辆的单跳覆盖率，从而增加兴趣包的缓存命中率。对T_location的设置如公式4所示。

冲突避免时间T_ca(T_{collision-avoidance},)

在车辆密集的环境中，相邻的两个或多个车辆由于距离、位置等条件因素都相同，对于同一时间监听到的兴趣包会计算出相同的等待时间，从而产生转发冲突，既增加网内兴趣包冗余又浪费资源，所以在公式的最后加入了一个范围在0至1毫秒的均匀分布随机数以避免转发冲突。

属性系数W

通过研究我们发现车载网络中所传输的数据具有明显区别于互联网数据的特殊性质，车载网络中的数据种类相对较少且属性特征明显，我们初步将车载网络数据分成四类：主动安全信息，公共服务信息，提高驾驶感受信息以及商业与娱乐信息，同时我们分析出各类信息的属性特点，如下表所示。

通过将车载网络数据进行分类，并根据兴趣包指向的数据属性，如所需传输速度，文件大小以及兴趣包是否指向特定地点，数据缓存分布密度等等，分配不同的W₁，W₂，W₃的值。听等时间公式可以根据数据的不同属性计算出适合对应数据的听等时间，在保证兴趣包快速传输的情况下，保证数据包的可靠回传。

如何确定具体的属性系数值，则属于典型的多属性决策问题，本发明将利用三标度层次分析法计算每个因素的属性系数。层次分析法(参见文献：SaatyTL.Ascalingmethodforprioritiesinhierarchicalstructures[J].Journalofmathematicalpsychology,1977,15(3):234-281.)是一种确定问题若干相关因素影响因子的科学方法，上世纪70年代由美国运筹学家托马斯·塞蒂正式提出。由于它能够有效科学的为复杂问题提供决策，很快在世界范围被广泛使用。层次分析法帮助人们综合考虑各种方案的优势和缺陷，通过构造对比矩阵并进一步计算分析得出最终的方案。

以驾驶员想要知道附近道路旁的餐厅优惠信息为例，首先分析该场景中所需数据的主要属性：首先是兴趣包要尽量多的覆盖到附近车辆或者附近商家，以便获得快速且完整的信息，其次是单个数据内容较大，最后是对传输速度要求很小。所以该种数据属性里指向特定地点为主要属性。下面建立对比矩阵A，其中几个因素的对比依据如下表所示。

$W_i:W_j\⇒a_{ij}A={\left(a_{ij}\right)}_{n\×n},a_{ij}>0,a_{ji}=\frac{1}{a_{ij}}$

因素重要性对比依据

因此得到对应附近商家数据的对比矩阵：

$A=\left[\begin{array}{ccc}1& 2& 3\\ 1/2& 1& 2\\ 1/3& 1/2& 1\end{array}\right]\⇒\left[\begin{array}{ccc}0.545& 0.571& 0.5\\ 0.273& 0.286& 0.333\\ 0.182& 0.143& 0.167\end{array}\right]\⇒\left[\begin{array}{c}0.54\\ 0.30\\ 0.16\end{array}\right]---\left(5\right)$

先对列向量进行归一化，再对其行求和归一化就得到：

(W₁:W₂:W₃)＝(0.54:0.30:0.16)(6)

将公式(6)代入公式(1)可得：

T_wait＝0.54·T_dis+0.3·T_vc+0.16·T_location+T_ca(7)

公式(7)即为转发车辆对于停车位置信息兴趣包的听等时间计算公式。同理，对于其他车载信息我们同样可以根据其数据属性，使用三标度层次分析法计算出对应的转发听等时间。车辆在计算出听等时间后，即刻进入监听-等待转发状态。

Claims (7)

1.车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法，其特征在于，包括以下步骤：

车辆节点监听到邻居车辆发出的兴趣包，车辆节点从兴趣包中提取出前一跳车辆的位置L，行驶车速V₁和行驶方向D₁；然后车辆节点根据听等时间公式计算出等待时间，进入监听状态；当等待时间结束时还未监听到其他车辆转发该兴趣包，则车辆节点转发该兴趣包，若在等待时间结束前监听到有其他车辆转发该兴趣包，则取消转发。

2.根据权利要求1所述车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法，其特征在于：所述听等时间公式为

T_wait＝W₁·T_dis+W₂·T_vc+W₃·T_location+T_ca

式中T_wait为听等时间，T_dis为车辆间距时间，T_VC为车辆状况时间，T_location为车辆位置时间，T_ca为冲突避免时间，W₁、W₂和W₃分别表示T_dis、T_VC和T_location的属性系数。

3.根据权利要求2所述车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法，其特征在于：所述车辆间距时间T_dis的计算方式为

$T_{dis}=T_{cons\tan t}\·\frac{D_{max}-D_{(sender,transmitter)}}{D_{max}}$

其中T_constant为时间影响常数，D_max为车辆传输半径，即信号能传到的最远距离，D_{(sender,transmitter)}为车辆节点与上一跳发送车辆的距离，该距离可以由兴趣包中携带的上一跳车辆位置L和本车辆当前位置求得。

4.根据权利要求2所述车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法，其特征在于：所述车辆状况时间T_VC的计算方式如下

T_VC＝T_constant·(|V₂-V₁|+|D₂-D₁|)·S

其中T_Constant为时间影响常数，V₂和V₁分别为车辆节点和上一跳发送车辆的行驶速度，D₂与D₁分别代表车辆节点行驶方向与上一跳发送车辆行驶方向，S代表车辆节点是否为固定路线车辆且经过特定区域，如果条件符合，则S＝0，如果条件不符合，则S＝1。

5.根据权利要求2或3或4所述车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法，其特征在于：还包括将兴趣包多请求的数据分为四类，主动安全信息，公共服务信息，提高驾驶感受信息以及商业与娱乐信息，然后根据兴趣包指向的数据属性，分配属性系数W₁，W₂，W₃的值。

6.根据权利要求5所述车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法，其特征在于：所述属性系数W₁，W₂，W₃的值采用三标度层次分析法计算得到。

7.根据权利要求1或2或3或4或6所述车载命名数据网络中基于数据属性的兴趣包转发方法，其特征在于：所述邻居车辆为车辆节点传输半径内的车辆。