CN106454719A - 基于sdn技术的车联网数据分发系统与分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN技术的车联网数据分发系统与数据方法。主要解决了车辆在高速行驶时信息复制冗余和传输时延大的问题。技术方案是：构建基于SDN的车联网架构，在SDN控制器内开发信息管理、信息切割和信息预存模块；车辆将自身信息上传至SDN控制器的信息管理模块，同时SDN控制器从Internet端将用户的请求信息下载并通过信息切割模块将信息切割成不同的片段，这些片段被信息预存模块预存至相应的RSU内，当RSU监测到该车辆驶入其覆盖范围内时，RSU将预存的数据片段发送至车辆，实现低通信开销的数据分发。本发明减小了数据分发的传输时延，避免通信中断，切实有效的改善传统机制中的信息复制冗余，对丢包率显著改善，便于车联网后期维护。

Description

基于SDN技术的车联网数据分发系统与分发方法

技术领域

本发明属于交通技术领域，特别涉及一种基于SDN(Software Defined Network)技术的车联网数据分发方法，具体是一种基于SDN技术的车联网数据分发系统与分发方法，可用于高速公路。

背景技术

车载通信网络被视为提高道路安全性和建设智能交通系统的关键技术。在车载网络中，车辆和车辆之间的通信称为V2V(Vehicle-to-Vehicle)，而车辆和类似路边单元(RSU，Road Side Units)这样的基础设施间的通信被称为V2I(Vehicle-to-Infrastructure)。由于V2V通信通常具有较大的机会性和随机性，因此车辆与RSU间的V2I通信对提升网络性能具有更加重要的作用。然而目前车联网架构中的RSU设备的通信范围仍有限，在节点高速移动的场景比如高速公路，车辆在进行大流量数据传输时需要频繁地进行RSU切换，这就导致基于802.11p协议的通信在数据分发时会产生较大的通信时延，且有可能造成通信中断。因此运用新型网络架构对车联网中的数据分发技术进行改善势在必行。

关于车联网中数据分发的现有技术，主要有以下几种：

O Trullols-Cruces等人在《A cooperative vehicular network framework》(IEEE International Conference on Communications)提出了一种旨在提升车载网络协议扩展性的车载混合网络架构，与网状网络的架构很相似。基于该架构提出了根据车辆交通状况和城市道路结构优化的RSU部署问题，该文献将RSU部署问题简化为依据车辆密度来决定接入点间的距离问题，在文中也给出了该架构的未来发展方向，比如将该架构应用于数据分发，但并没有进行深入研究，没有阐释该架构在数据分发时的运作机制。

B Nguyen等人在《Software Defined Networking-based Vehicular Ad hocNetwork with Fog Computing》(IEEE International Symposium on IntegratedNetwork Management)中提出了SDN与车联网相结合的网络架构，并对各部分的功能进行了详细阐释，文中利用车道变换预测和车流量分配的例子阐明了该架构的实用性，文中针对RSU切换时的数据分发研究采用传统的数据分发方式将下载数据全部复制机制，信息冗余较大。

上述文献对于车联网中车辆进行RSU切换时的数据分发方法依然沿用传统机制，将车辆请求的数据全部复制在车辆将会经过的RSU内，这样的机制将会造成信息复制冗余，且通信时延较大，丢包率也并没有显著改善。由于传统的车联网架构采用人工维护的方式，因此缺乏便捷性，对于后期功能的扩展也存在局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于SDN技术的车联网数据分发系统与分发方法，运用了新型网络架构SDN(软件定义网络，Software DefinedNetwork)的集中控制特性以及数据面与控制面分离的特点，对现有车联网架构进行改进，并提出了高速公路RSU切换场景下的数据分发策略，充分减小了数据分发时的通信开销。

本发明是一种基于SDN技术的车联网数据分发系统，包含：Internet网络、路边单元RSU以及行驶车辆，其特征在于，还包括有SDN控制器和交换机，车辆将自身信息和请求信息发送至路边单元RSU，路边单元RSU将车辆信息和自身状态信息通过交换机上传至SDN控制器，SDN控制器从Internet网络将车辆请求数据下载下来，基于上述车辆信息和RSU自身状态信息对请求数据进行切割，通过交换机将已切割数据预存至沿途不同的RSU内，当车辆进入相应的RSU覆盖范围，RSU将预存的信息发送至车辆。

本发明还是一种基于SDN技术的车联网数据分发方法，是在权利要求1-3所述的任一基于SDN技术的车联网数据分发系统上实现，其特征在于，基于SDN技术的车联网数据分发方法包括有如下步骤：

(1)车辆通过车载模块OBU(On Board Unit)将车辆信息发送至路边单元RSU，车辆信息包括：车速、行驶方向以及请求信息；

(2)路边单元RSU将车辆信息和自身状态信息通过交换机发送至SDN控制器信息管理模块，其中自身状态信息包括：位置、所预存的数据名称以及自身吞吐量；

(3)信息管理模块将收到的车辆信息、路边单元RSU自身状态信息以及从Internet网络下载的数据信息分别进行封包存储，并发送给信息切割模块，以便进行下一步处理；

(4)信息切割模块根据信息管理模块中的各类信息对从Internet网络下载下来的数据进行切割，把切割后的数据发送给信息预存模块；

(5)信息预存模块将已切割的数据通过交换机预存至不同的路边单元RSU内；

(6)当车辆进入路边单元RSU的覆盖范围内时，将预存的信息发送至车辆，实现低时延的数据分发。

本发明的技术思路是：首先构建基于SDN的车联网架构，其次车辆将自身信息上传至SDN控制器的用户管理模块即信息管理模块，同时SDN控制器从Internet端将用户的请求信息下载下来，并通过信息切割模块将信息切割成不同的片段，这些片段被信息预存模块预存至相应的RSU内，当RSU监测到该车辆驶入其覆盖范围内时，将对应数据片段分发给该车辆。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明将SDN技术运用到车联网中，利用SDN的集中控制能力实现网络拓扑的实时更新，因此可以提高数据分发的实时性。同时利用SDN的可编程性，开发了信息管理模块、信息切割模块和信息预存模块，为后期的架构维护提供了便利。

第二，本发明提出的信息切割和信息预存思想，对能够切实有效的减小数据分发时的通信时延，对于通信丢包率的改善也有显著效果。

附图说明

图1为本发明基于SDN的分发系统架构示意图；

图2为本发明分发方法流程图；

图3为本发明的仿真截图；

图4为本发明关于传输时延的仿真结果图；

图5为本发明关于数据重传率的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明

实施例1

针对现有技术中对于车联网中车辆进行RSU切换时的数据分发方法依然沿用传统机制，将数据全部复制在车辆将会经过的路边单元RSU内，会造成信息复制冗余，且通信时延较大等技术问题本发明提出一种基于SDN技术的车联网数据分发系统，即首先构建基于SDN的车联网架构，包含：Internet网络、路边单元RSU以及行驶车辆，参见图1，本发明还包括有SDN控制器和交换机，车辆将自身信息和请求信息发送至路边单元RSU，路边单元RSU将车辆信息和自身状态信息通过交换机上传至SDN控制器，SDN控制器从Internet网络将车辆请求数据下载下来，基于上述车辆信息和RSU自身状态信息对请求数据进行切割，通过交换机将已切割数据预存至沿途不同的RSU内，当车辆进入相应的RSU覆盖范围，RSU将预存的信息发送至车辆。

其中，路边单元RSU(Road Side Units)的内置原件可以搜集路段信息，包括路段长度、路面状况、车辆数、邻近RSU位置及状态等。其次RSU还可以与车载模块OBU(On BoardUnit)进行通信，搜集并存储车辆信息包括车辆ID、车速、车辆行驶路径、车辆请求信息等。最后RSU还可作为信息传输的中继节点对信息实现中继转发。

本例中的交换机均为OpenFlow交换机，每个交换机至少由安全通道、OpenFlow协议和流表三部分组成。其中安全通道为交换机和控制器进行通信的通道，进行协议命令和数据包的传输。OpenFlow协议是控制器和OpenFlow交换机之间通信的标准接口。每张流表都包含若干流表项，每一条流表项均包含匹配域和动作集，交换机根据流表项指定的动作来处理流。

本例选取Floodlight作为SDN控制器，它负责制定和管理转发策略。Floodlight采用了模块化的设计架构来实现相应功能，从而具有很好的扩展性。

本例架构最上层为Inernet网络，包含大量原始服务器，是数据上传下载的终端。架构中车辆和路边单元RSU之间采用基于802.11p的无线通信方式，RSU以上的各层网络均采用有线连接，以保证传输的可靠性。

本发明将SDN技术运用到车联网中，构建了基于SDN的车联网架构，能够有效利用SDN控制器的集中控制能力实现网络拓扑的实时更新，因此可以提高数据分发的实时性。

实施例2

基于SDN技术的车联网数据分发系统的总体构成同实施例1，本例利用SDN的可编程性，通过SDN控制器的北向接口，扩展了应用层，设计了三大模块，分别是信息管理模块、信息切割模块和信息预存模块。信息管理模块通过交换机接收来自路边单元RSU的自身状态信息以及车辆信息，同时也存放来自Internet网络的下载数据，信息切割模块基于信息管理模块的信息对所下载的数据进行切割，信息预存模块将已切割的数据预存至相应的路边单元RSU内，当车辆进入路边单元RSU的覆盖范围时，将预存的信息发送至车辆。

由于SDN技术具有很强的可编程性，因此若后期需要对模块的具体细节进行改进，可通过编程进行修改，为后期的架构维护提供了便利。

实施例3

基于SDN技术的车联网数据分发系统的总体构成同实施例1-2，SDN控制器内的三个模块详细说明如下：

信息管理模块：

信息管理模块接收来自车载模块OBU(On Board Unit)发送的车辆信息、路边单元RSU发送的自身状态信息和Internet网络的下载信息，并将信息分类存储成三种信息封包：用户信息封包、RSU管理封包和数据信息封包，以信息封包的形式发送给信息切割模块。

信息切割模块：

由于传统的数据分发系统无法将数据进行切割，因此从Internet网络下载的信息必须复制到车辆将要经过的每一个RSU，针对这一信息复制冗余的情况，本发明利用SDN良好的扩展性在SDN控制器内设计了信息切割模块，该模块能够根据信息管理模块中的信息将下载的数据切割成不同的数据片段，并对每个数据片段进行封包，将封包后的数据片段发送至信息预存模块。

信息预存模块：

信息被切割成不同的数据片段之后，信息预存模块将封包的数据片段与车辆将要经过的RSU进行配对并将数据片段的封包重新封装成预存包，通过交换机发送至路边单元RSU，以便车辆来到时将数据分发给车辆，如此便可实现将数据以片段的形式分发给车辆。

实施例4

本发明还是一种基于SDN技术的车联网数据分发方法，是在上述的任一基于SDN技术的车联网数据分发系统上实现，参见图2，基于SDN技术的车联网数据分发方法包括有如下步骤：

(1)车辆通过车载模块OBU(On Board Unit)将车辆信息发送至路边单元RSU，车辆信息包括：车辆ID、车速、行驶方向以及请求信息；

(2)路边单元RSU将车辆信息和自身状态信息通过交换机发送至SDN控制器信息管理模块，其中自身状态信息包括：位置、所预存的数据名称以及自身吞吐量；

(3)信息管理模块将收到的车辆信息、路边单元RSU自身状态信息以及从Internet网络下载的数据信息分别进行封包存储，并发送给信息切割模块，以便进行下一步处理；

(4)信息切割模块根据信息管理模块中的各类信息对从Internet网络下载下来的数据进行切割，把切割后的数据发送给信息预存模块；

(5)信息预存模块将已切割的数据通过交换机预存至不同的路边单元RSU内；

(6)当车辆进入路边单元RSU的覆盖范围内时，将预存的信息发送至车辆，实现低时延的数据分发。

本发明提出的信息切割和信息预存思想，能够切实有效的改善传统数据分发机制中将数据全部复制在车辆将会经过的路边单元RSU内所造成到达信息复制冗余，减小数据分发时的通信时延，对于通信丢包率的改善也有显著效果。

实施例5

基于SDN技术的车联网数据分发系统和方法同实施例1-4，其中步骤(3)中提及的对信息的封包存储包括：

3.1车辆信息是以用户信息封包的形式存储在信息管理模块中，该封包具体包括：车辆位置、速度、行驶路径以及请求信息，例如表1所示。

表1用户信息封包

该封包包含了车辆最基本且必要的相关信息，为后续预测车辆将会经过的路边单元RSU提供了依据。

3.2路边单元RSU自身状态信息，以RSU管理封包的形式存储在信息管理模块中，该封包具体包括：RSU位置、所预存的数据名称以及自身吞吐量，例如表2所示。

表2RSU管理封包

该封包包含了路边单元RSU的基本信息，有利于SDN控制器掌握全网的拓扑结果，也为后续数据片段的切割提供了必要依据。

3.3将车辆请求信息中请求的数据并以数据信息封包的形式存储，该封包具体包括:数据名称、数据长度、更新时间以及所属的原始服务器，例如表3所示。

表3数据信息封包

该封包包含了数据的详细信息，信息切割模块将参考上述用户信息封包和RSU管理封包对该数据信息封包中的数据进行合理切割。

实施例6

基于SDN技术的车联网数据分发系统和方法同实施例1-5，其中步骤(4)中提及的数据切割包括有：

4.1判断是否需要进行切割，本发明主要针对行驶在高速路段的车辆，当车辆请求下载的数据量较小时，则在一个RSU内即可完成下载，不需要进行RSU切换，即不需要对数据进行切割分片段分发，当数据量较大时则需要对数据进行切割预存到沿途不同的RSU内。信息切割模块根据信息管理模块的信息判断是否需要对数据进行切割，当E(Q)<E(W_d)时,说明不需要进行RSU切换就可以完成数据的下载即不需对数据进行切割；当E(Q)>E(W_d)时，说明需要进行RSU切换即需要对总流量为E(Q)的数据进行切割，其中E(Q)为车辆请求下载的总流量，R_r为RSU覆盖半径，E(W)为车辆在R_r内能够从RSU下载的最大流量，d为车辆在当前RSU覆盖范围内的行驶距离，E(W_d)为能从该RSU下载的流量。

4.2对需要进行切割的数据进行切割，

4.2.1假设在RSU_1内下载的数据为E(W_d1)，若E(Q)-E(W_d1)>E(W),则RSU_2内存放的数据大小为E(W)，此时若剩余流量小于E(W)则将剩余流量存入RSU_3内，即将数据切割为E(W_d1)、E(W)和E(Q)-E(W_d1)-E(W)；

4.2.2若E(Q)-E(W_d1)<E(W),则将剩余流量全部存入RSU_2内，即将数据切割为E(W_d1)和E(Q)-E(W_d1)；

4.3切割后的数据封包包括：所切割后的片段名称以及各片段的长度和目的RSU。例如表4所示。

表4数据封包

该封包具体指明了将所下载的数据切割后的数据片段名称、大小，以及每个数据片段所对应的路边单元RSU,以便后续预存模块对数据片段进行预存。

实施例7

基于SDN技术的车联网数据分发系统和方法同实施例1-6，其中步骤(5)中提及的将已切割的数据通过交换机预存至不同的路边单元RSU内，具体包括：

5.1信息预存模块将已切割的数据片段封装成预存封包，预存到车辆会经过的RSU内，当车辆进入该RSU的覆盖范围时，即可立即将数据片段发送至车辆，减少车辆与RSU建立通信的连接时间，同时也减少了数据的重传率。

5.2该预存封包包括：数据片段名称、所属原始服务器IP、缓存标志Flag、片段生存时间TTL(Time To Live)、继续预存值CPC(Continue Pre Cache)以及请求该数据片段的车辆ID，例如表5所示。

表5数据预存封包

5.3其中缓存标志Flag取值为0时表示该片段还没有被缓存至RSU内，取值为1时表示该片段已经缓存完毕；

5.4片段生存时间TTL值为请求该片段的车辆到达时间；

5.5继续预存值CPC值表示请求该信息片段的其他车辆到达时间；

5.6TTL值与CPC值将随时间而逐渐减小。如果TTL到期(TTL＝0)和CPC值不为0，那么TTL的值被替换为CPC的值。

以上5.1-5.6之间并无时间约束关系，也就是说先后顺序可互换或调整进行。

下面通过更加详细的阐述，进一步说明本发明。

实施例8

基于SDN技术的车联网数据分发系统和方法同实施例1-7，

本发明的具体实施环境是在高速公路。由于高速公路环境复杂多变，所以本例是在如下描述的前提下进行模拟和实验的：

1、不考虑高速公路出口、转弯以及RSU覆盖盲区和RSU重叠覆盖的情况；

2、基于SDN的车联网架构中的无线通信采用基于802.11p协议的CSMA/DCF机制。

下面结合附图3作进一步描述。

步骤1，构建基于SDN的车联网架构。

图3为本发明架构的仿真截图，其中，车辆的速度行驶速度为20m/s，且为匀速行驶。

RSU(Road Side Units)为路边单元，其内置原件搜集路段信息，包括路段长度、路面状况、车辆数、邻近RSU位置及状态等。其次RSU还与车载模块OBU(On Board Unit)进行通信，搜集并存储车辆信息包括车辆ID、车速、车辆行驶路径、车辆请求信息等。最后RSU作为中继节点对上述信息实现中继转发。本例中RSU的覆盖范围半径为1000米，与车辆无线通信的带宽为10Mbps。

本例中交换机均为OpenFlow交换机，每个交换机至少由安全通道、OpenFlow协议和流表三部分组成。其中安全通道为交换机和控制器进行通信的通道，进行协议命令和数据包的传输。OpenFlow协议是控制器和OpenFlow交换机之间通信的标准接口。每张流表都包含若干流表项，每一条流表项均包含匹配域和动作集，交换机根据流表项指定的动作来处理流。

本发明选取Floodlight作为OpenFlow控制器，具有很好的扩展性，它负责制定和管理转发策略，SDN技术的所有智能化性能都是由控制器体现的。本发明中Floodlight采用了模块化的设计架构来实现信息管理、信息切割和信息预存功能，提升了数据分发的实时性和准确性。通过SDN控制器的北向接口(API)，扩展了应用层，设计了三大模块，分别是信息管理模块、信息切割模块和信息预存模块。其中信息管理模块包括用户管理和数据管理。用户管理主要记载包括车辆ID、车速、行驶方向与路径以及所请求的数据。数据管理主要用于管理所连接服务器的IP、RSU的地理位置、当前网络拓扑状态以及目前已缓存的数据。信息切割模块根据信息管理模块中的一系列信息对用户请求的信息进行切割，分装成不同的片段，这些片段是与路边单元相对应的，相对于现有技术，大量减少了冗余信息量。信息预存模块将不同片段的数据预先缓存至对应的RSU，并对不同段的数据分别选择合适的传输路径。

架构最上层为Inernet网络，包含大量原始服务器，是数据上传下载的终端。架构中RSU以上的网络均采用有线连接，以保证传输的可靠性，有线带宽为20Mbps。

步骤2，信息管理。

车辆通过车载模块OBU(On Board Unit)将车辆ID、车辆位置、速度、行驶路径以及请求信息以用户信息封包的形式发送至信息管理模块。同时路边单元RSU将自身状态信息也发送至信息管理模块，形成RSU管理封包，内容包括RSU位置、所预存的数据名称以及自身吞吐量。当SDN控制器收到来自车辆的信息请求时，将从Internet端将数据下载下来存入信息管理模块的数据信息封包中，该封包包括数据名称、数据长度、更新时间以及所属的原始服务器。

步骤3，信息切割。

IEEE 802.11p协议目前支持的最大传输距离为1000m,可满足行驶速度均值为33m/s(约为120km/h)的车辆之间以及车辆与RSU之间的通信。受天线发射功率的限制，设RSU最大传输半径Rr<＝1000m，在RSU的覆盖范围内车辆密度为ρ，车辆数目λ＝ρ2Rr。由交通导论知道车辆的总数目N(x)为符合泊松分布的计数过程。根据泊松分布函数的性质,RSU覆盖范围内车辆总数目N(x)期望与方差均为λ,则：一个RSU通信范围内的车辆数目的概率函数为：

Bianchi利用马尔可夫链对DCF退避过程进行了建模和分析.令W＝CWmin(竞争窗口最小值),则竞争窗口最大值CWmax＝2m-1，其中m为重传率，当RSU覆盖范围内有n个车辆节点竞争该区域的无线信道，则发送一个数据帧的概率为：

其中η为碰撞概率。

为便于分析数据分发的整个过程，本发明假设只有单个车辆i从RSU下载数据，则下载时间为：

该数据帧与其他节点发出的数据帧发生碰撞的概率η＝0,那么发送一个数据帧的概率为：

同时根据公式(1)，RSU覆盖范围内只有一辆车的概率为1-e^-ρ·2Rr。根据已有文献得知车辆i在RSU内以一跳的方式下载的总流量为：

其中：T_SIFS为DCF机制中最小帧间间隔；T_DIFS为确认信道空闲和数据发送之前的等待时间；T_ACK确认帧时长；T_DATA为一帧中的数据传输时长；T_σ.信道空闲的平均时间。已有文献参见：《车联网中RSU下行链路流量研究》刘业著。

若车辆只有在距离d内进行了数据下载，那么下载的总流量为：

当SDN控制器将车辆请求的信息从Internet下载下来，需要判断是否要对信息进行切割。假设车辆请求下载的总流量为E(Q)，RSU覆盖半径为Rr，在2Rr内车辆能够从RSU下载的最大流量为E(W)，若该车辆在当前RSU覆盖范围内的行驶距离为d，则能从该RSU下载的流量为E(W_d)。当E(Q)<E(W_d)时,说明不需要进行RSU切换就可以完成数据的下载；当E(Q)>E(W_d)时，说明需要进行RSU切换。此时信息切割模块就需要总流量为E(Q)的数据进行切割。假设在RSU_1内下载的数据为E(W_d1)，若E(Q)-E(W_d1)>E(W)，则RSU_2内存放的数据大小为E(W)；若E(Q)-E(W_d1)<E(W),则将剩余流量全部存入RSU_2内。以此类推，将数据切割成不同的片段并依次存入下一个RSU内。

数据切割后的封包包括：所切割后的片段名称以及各片段的长度和目的RSU。

步骤4，信息预存。

为了能够让车辆尽快地与RSU建立连接，并将通信时延降到最低，本发明采用预存模式，对上述切割后的数据片段进行再次封装并预存至相应的RSU内。

该数据预存封包包括：数据片段名称、所属原始服务器IP、是否已经缓存标志Flag、片段生存时间TTL(Time To Live)、继续预存值CPC(Continue Pre Cache)以及请求该数据片段的车辆ID。其中Flag取值为0时表示该片段还没有被缓存至RSU内，取值为1时表示该片段已经缓存完毕。TTL值为请求该片段的车辆到达时间。CPC值表示请求该信息片段的其他车辆到达时间。TTL值与CPC值将随时间而逐渐减小。如果TTL到期(TTL＝0)和CPC值不为0，那么TTL的值被替换为CPC的值。

本发明提出的信息切割和信息预存思想，对能够切实有效的减小数据分发时的通信时延，对于通信丢包率的改善也有显著效果。

步骤5，车辆信息验证，数据分发。

当RSU监测到有车辆进入其覆盖范围，则立即启动匹配算法，该匹配算法如表6所示。设RSU中存储的车辆ID集为ф，其中车辆i的ID为ID_i。

表6匹配算法

当车辆通过匹配算法找到后，RSU立即将该车辆请求的数据片段下发，至此整个数据分发过程结束。通过信息管理使得SDN控制器能够全面掌握车联网的拓扑结构和状态，通过信息切割和预存，能够充分减小信息的复制冗余，从而减少了传输时延，改善了数据的丢包率。

实施例9

基于SDN技术的车联网数据分发系统和方法同实施例1-8，仿真条件与仿真内容同实施例8，下面分析仿真结果。

附图4为关于数据传输时延的仿真结果图，其中横坐标为下载数据的流量，纵坐标为数据传输时延，如图4所示使用本发明提出的基于SDN的车联网数据分发系统和分发方法能够将数据的传输时延减少30％。随着下载数据的增大，车辆需要经过更多的RSU来完成数据的下载，对比与传统的数据分发机制，本发明所提的数据分发方法对于数据传输时延的减小，效果更加显著。

附图5为关于数据重传率的仿真结果图，其中横坐标为下载数据的流量，纵坐标为数据重传率，如图5所示，传统数据分发机制随着下载数据的增大，数据的重传率逐渐增大，而使用本发明，经过数据管理、切割与分发能够将数据的重传率维持在0.10，这表明本发明所提的数据分发系统与分发方法能够切实有效的减少数据的丢包率，防止车辆在进行RSU切换时发生通信中断。

综上所述，本发明公开的一种基于SDN(Software Defined Network)技术的车联网数据分发系统与数据方法。主要解决现有技术中关于车辆在高速路段行驶时时不能实现集中控制以及将数据切割的问题。其技术方案是：首先，构建基于SDN的车联网架构，并在SDN控制器内开发三大模块：信息管理模块、信息切割模块以及信息预存模块；其次，车辆将自身信息和请求信息发送至路边单元RSU，路边单元RSU将车辆信息和自身状态信息通过交换机上传至信息管理模块；再者，SDN控制器从Internet网络将车辆请求数据下载下来，基于上述车辆信息和RSU自身状态信息内容切割模块对请求数据进行切割；最后，信息预存模块通过交换机将已切割数据预存至沿途不同的RSU内，当车辆进入相应的RSU覆盖范围，RSU将预存的数据片段发送至车辆，实现低通信开销的数据分发。本发明能够使行驶在高速公路的车辆在进行路边单元RSU切换时减小数据分发的数据传输时延，避免发送通信中断，能够切实有效的改善传统机制中将下载数据全部复制在车辆将会经过的RSU内所产生的信息复制冗余，同时本发明对数据分发时的丢包率也有显著改善，对于车联网的后期维护也提供了极大便利。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于SDN技术的车联网数据分发系统，包含：Internet网络、路边单元RSU以及行驶车辆，其特征在于，还包括有SDN控制器和交换机，车辆将自身信息和请求信息发送至路边单元RSU，路边单元RSU将车辆信息和自身状态信息通过交换机上传至SDN控制器，SDN控制器从Internet网络将车辆请求数据下载下来，基于上述车辆信息和RSU自身状态信息对请求数据进行切割，通过交换机将已切割数据预存至沿途不同的RSU内，当车辆进入相应的RSU覆盖范围，RSU将预存的信息发送至车辆。

2.根据权利要求1所述的基于SDN技术的车联网数据分发系统，其特征在于，在SDN控制器内设置有三个模块：信息管理模块、信息切割模块和信息预存模块，信息管理模块通过交换机接收来自路边单元RSU的自身状态信息以及车辆信息，同时也存放来自Internet网络的下载数据，信息切割模块基于信息管理模块的信息对所下载的数据进行切割，信息预存模块将已切割的数据预存至相应的路边单元RSU内，当车辆进入RSU的覆盖范围时，将预存的信息发送至车辆。

3.根据权利要求1所述的基于SDN技术的车联网数据分发系统，其特征在于，

信息管理模块：

信息管理模块接收来自车载模块OBU发送的车辆信息、路边单元RSU发送的自身状态信息和Internet网络的下载信息，并将信息分类存储成三种信息封包：用户信息封包、RSU管理封包和数据信息封包，以信息封包的形式发送给信息切割模块；

信息切割模块：

信息切割模块将下载的数据切割成不同的数据片段，并对每个数据片段进行封包，将封包后的数据片段发送至信息预存模块；

信息预存模块：

信息预存模块将封包的数据片段装成预存包，通过交换机发送至路边单元RSU，以便车辆来到时将数据分发给车辆。

4.一种基于SDN技术的车联网数据分发方法，是在权利要求1-3所述的任一基于SDN技术的车联网数据分发系统上实现，其特征在于，基于SDN技术的车联网数据分发方法包括有如下步骤：

(1)车辆通过车载模块OBU将车辆信息发送至路边单元RSU，车辆信息包括：车辆ID、车速、行驶方向以及请求信息；

(2)路边单元RSU将车辆信息和自身状态信息通过交换机发送至SDN控制器信息管理模块，其中自身状态信息包括：位置、所预存的数据名称以及自身吞吐量；

(3)信息管理模块将收到的车辆信息、路边单元RSU自身状态信息以及从Internet网络下载的数据信息分别进行封包存储，并发送给信息切割模块，以便进行下一步处理；

(4)信息切割模块根据信息管理模块中的各类信息对从Internet网络下载下来的数据进行切割，把切割后的数据发送给信息预存模块；

(5)信息预存模块将已切割的数据通过交换机预存至不同的路边单元RSU内；

(6)当车辆进入路边单元RSU的覆盖范围内时，将预存的信息发送至车辆，实现低时延的数据分发。

5.根据权利要求4所述的一种基于SDN技术的车联网数据分发方法，其特征在于，

其中步骤(3)中提及的对信息的封包存储包括：

3.1车辆信息是以用户信息封包的形式存储在信息管理模块中，该封包具体包括：车辆ID、车辆位置、速度、行驶路径以及请求信息；

3.2路边单元RSU自身状态信息，以RSU管理封包的形式存储在信息管理模块中，该封包具体包括：RSU位置、所预存的数据名称以及自身吞吐量；

3.3将车辆请求信息中请求的数据并以数据信息封包的形式存储，该封包具体包括:数据名称、数据长度、更新时间以及所属的原始服务器。

6.根据权利要求4所述的一种基于SDN技术的车联网数据分发方法，其特征在于，其中步骤(4)中提及的数据切割包括有：

4.1判断是否需要进行切割，信息切割模块根据信息管理模块的信息判断是否需要对数据进行切割，当E(Q)<E(W_d)时,说明不需要进行RSU切换就可以完成数据的下载即不需对数据进行切割；当E(Q)>E(W_d)时，说明需要进行RSU切换即需要对总流量为E(Q)的数据进行切割，其中E(Q)为车辆请求下载的总流量，R_r为RSU覆盖半径，E(W)为车辆在R_r内能够从RSU下载的最大流量，d为车辆在当前RSU覆盖范围内的行驶距离，E(W_d)为能从该RSU下载的流量；

4.2对需要进行切割的数据进行切割，

4.2.1假设在RSU_1内下载的数据为E(W_d1)，若E(Q)-E(W_d1)>E(W),则RSU_2内存放的数据大小为E(W)，此时若剩余流量小于E(W)则将剩余流量存入RSU_3内，即将数据切割为E(W_d1)、E(W)和E(Q)-E(W_d1)-E(W)；

4.2.2若E(Q)-E(W_d1)<E(W),则将剩余流量全部存入RSU_2内，即将数据切割为E(W_d1)和E(Q)-E(W_d1)；

4.3切割后的数据封包包括：所切割后的片段名称以及各片段的长度和目的RSU。

7.根据权利要求4所述的一种基于SDN技术的车联网数据分发方法，其特征在于，其中步骤(5)中提及的将已切割的数据通过交换机预存至不同的路边单元RSU内，具体包括：

5.1信息预存模块将已切割的数据片段封装成预存封包，以便车辆到来时分发给车辆；

5.2该预存封包包括：数据片段名称、所属原始服务器IP、缓存标志Flag、片段生存时间TTL(Time To Live)、继续预存值CPC(Continue Pre Cache)以及请求该数据片段的车辆ID；

5.3其中缓存标志Flag取值为0时表示该片段还没有被缓存至RSU内，取值为1时表示该片段已经缓存完毕；

5.4片段生存时间TTL值为请求该片段的车辆到达时间；

5.5继续预存值CPC值表示请求该信息片段的其他车辆到达时间；

5.6TTL值与CPC值将随时间而逐渐减小，如果TTL到期(TTL＝0)和CPC值不为0，那么TTL的值被替换为CPC的值。