CN106658634B - 一种软件定义车载网络系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种软件定义车载网络系统，包括设置在各个路段上的用于管辖相应路段的控制器，所述各个控制器之间能够进行通信；所述每个控制器通过二分搜索算法从运行在其控制路段的车辆中选取转发车，以形成一条维持时间最长、信号覆盖整个路段的转发链，转发链上的转发车接收到数据包后，将数据包向前转发。

Description

一种软件定义车载网络系统
技术领域
本发明涉及车载网络领域，更具体地，涉及一种软件定义车载网络系统。
背景技术
近年兴起的车载自组织网络原是移动自组织网络的一个分支，随着IEEE802.11p、IEEE1609等标准的起草以及逐步确立，车载自组织网络逐渐从移动自组织网络中独立出来。车载网络通常并不用于互联网应用，而多是用于传递附近的交通路况信息，避免拥堵；或者用于汽车之间交换信息，避免碰撞，使交通更有效率；或者用于发送卫星定位系统的系统状态、差分信息，加速车载导航系统对卫星导航信号的捕获，提高导航精确度。目前的车载网络多使用移动自组织网络的路由协议，车载网的效率不高、可靠性低。
目前常用的移动自组织网络路由协议有OLSR(Optimized Link StateRoutingProtocol)、DSDV(Destination-Sequenced Distance Vector Routing)、AODV(AdhocOn-Demand Distance Vector Routing)和DSR(Dynamic Source Routing)。
传统的移动自组织网络路由协议多是基于节点之间的广播发现邻居、交换邻接信息、协商路由结果。传统协议计算路由结果的速度慢，计算得出的路由信息的有效期短，在车载网上的应用效果很差。
维持链路状态的移动自组织网络路由协议如OLSR，节点是通过定期广播Hello包互相发现的，当两个已有链接节点因互相远离而断开连接后，运行OLSR算法的节点并不能马上知道链接的断开，只能通过一段时间都没有收到另一辆车的信息来推断链接断开，这种算法对节点移动速度不高或者是节点静止的应用，如：手提设备之间的临时网络、传感器网络、战事野外军营之间的通讯等效果较好；但应用在节点动态性高的车载网络上时，即便是在模拟城市路况的密集路段上OLSR的性能也非常不理想，更发现在模拟高速、乡郊路况的细长道路上，OLSR甚至不能成功传送任何数据包。同样是通过维持链路状态的路由协议DSDV，采用了Bellman-Ford算法寻路防止出现路由环，还采用了增量更新的方法更新路由信息，提高了寻路效率并减少了网络开销。但和OLSR相似，DSDV并不能及时发现链路状态的更新，同样不适合在动态性高的网络(如车载网)使用。
运行由需求驱动的、按需寻找路径的移动自组织网络路由协议AODV的节点则是通过在有发送需求时，递归地不断向邻居广播RREQ包(问路)寻找通往目标结点的通路，到达一台通往目标路由的节点后、或者到达目标节点后反向发送RREP包(回复包)建立链路，并更新途中的节点上的路由表，以实现路由功能。每当链路状态发生改变时，运行AODV协议的节点发现后，AODV协议需要重新寻找一条通路。在动态性高的网络上，路由表的信息很快就失效，AODV需经常重新找路。所以与维持链路状态的移动自组织网络路由协议类似，需求驱动的路由协议AODV也一样比较适合节点拓扑相对稳定的手持、固定应用。而在节点拓扑不稳定的车载网上，AODV的表现也不理想。
DSR是更加纯粹的需求驱动型路由协议。与AODV不同的是，DSR采用一种名为“源路由”(Source Routing)的路由方式。AODV的路由是存储在每个节点的路由表中的。如果要将信息发送去某个地方，每个节点只知道通往目标的下一跳是哪个节点，而不知道整条路经的节点。而源路由的消息发送节点，则知道通往目标节点的链路上每一跳的信息。路由存储在路由缓存(route cache)上，并会被加在每一个发送的数据包的包头上。因此DSR的实现、发送开销都更大。
软件定义网络(SDN)在过去主要是应用在有线网络上，如谷歌公司在其网络上使用的名为B4的软件定义网络提高其网络带宽的利用率，降低成本，在无线网络上的应用十分少有，特别是在车载网络上。在2014年发表的一份探讨将SDN应用到VANET的论文中，也只是简单地把SDN中的Openflow协议应用到车载网络上，并没有针对车载网络的特性有进一步的利用。即便如此，应用了Openflow的软件定义车载网络的可靠性也比以上提到的传统的路由算法(DSDV、AODV、OLSR、GPSR)有明显提高。
发明内容
本发明为解决以上现有技术的缺陷，提供了一种软件定义车载网络系统，该系统通过在各个路段使用二分搜索算法从运行在该路段的车辆中选取转发车，从而在各个路段形成一条维持时间最长、信号覆盖整个路段的转发链，因此，该系统的数据链的稳定性与现有技术相比得到了提高。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种软件定义车载网络系统，包括设置在各个路段上的用于管辖相应路段的控制器，所述各个控制器之间能够进行通信；所述每个控制器通过二分搜索算法从运行在其控制路段的车辆中选取转发车，以形成一条维持时间最长、信号覆盖整个路段的转发链，转发链上的转发车接收到数据包后，将数据包向前转发。
优选地，每个控制器的控制路段通过lc_start和lc_end两个二维向量表示，lc_start表示控制路段起点处左侧和或右侧上的一点，lc_end表示控制路段结束处与lc_start对角的一点；设车辆的通信半径为signal_range，控制路段的首段和尾段分别设置有长度为signal_range一半的保护区间；选取转发车形成转发链时，首段和尾段的保护区间内均包含有有转发车。
优选地，所述二分搜索算法选取转发车的具体过程如下：
(1)初始化上下限
算法的下限为0，表示不能建立任何的链接，算法的上限由在首段保护区间内预期逗留最久的车辆在首段保护区间的逗留时间确定；
(2)进行二分查找
根据上下限，计算中值mid，调用函数TestResult(mid)测试是否能找出在中值要求的时间内都能维持的链接，如果能，则更新中值为下限，再次根据上下限计算中值；以上过程循环计算，直到上下限均小于预先设定的阈值，此时结束二分查找；
(3)根据结果选择转发车
经过步骤(2)的计算后，如果下限仍为0，说明算法无法找到任何的链接，返回空的转发链；如果下限不为0，则说明存在链接，调用函数TestResult(lowerbound)计算转发信息，然后从首保护区间中选择跳数最少的，预期逗留在首段保护区间内最久的车辆作为首辆转发车，并根据其最佳下一跳，递归生成转发链，直到下一跳为空。
优选地，设车i为第i辆选中的转发车，若车j满足以下关系，则将车j选为车i的下一跳：
(1)dj-di<signal_range//当前车i与车j能通讯；
(2)di+vi*x<road_legth//x秒后车i仍在当前控制路段；
(3)dj+vj*x<road_legth//x秒后车j仍在当前控制路段；
(4)|di+vi*x-dj+vj*x|<signal_range//x秒后车i与车j能通讯；
(5)minhopj+1<minhopi//使用车j作为下一跳点网络距离更近；
其中dj、di表示车i、车j之间的位置，vi、vj表示车i、车j的速度，road_legth表示控制路段的长度，由lc_start和lc_end的欧几里得距离表示。
优选地，所述数据包通过SCH信道以广播的形式发往转发车，转发车接收到数据包后进行一系列的判断决定是否要转发该数据包：
(1)该数据包是否为广播包；
(2)该数据包是否是从SCH接口上接收到的；
(3)该数据包的TTL是否大于0；
(4)该数据包的发送者是否不在不转发表上；
(5)转发车是否仍在控制器的控制路段内；
仅当以上条件为全真时，转发车才会对数据包进行转发。
优选地，所述转发车在转发数据包前先进行以下操作：
(1)减少数据包的TTL；
(2)把数据包的Source IP修改为自身SCH接口的ip；
当TTL>0时，转发数据包。
优选地，所述控制器与车辆之间通过四种通讯包进行通讯：
HelloMessage：车辆往控制器发送的数据包，包含了车辆的ip、车辆的位置、车辆的速度三项信息；
AckHelloMessage：控制器回复车辆HelloMessage的信息，除了包含HelloMessage的所有信息外，还包含该控制器控制路段的lc_start和lc_end信息；
AppointmentMessage：控制器发送给车辆的“钦点”信息，指示车辆在路段中担当的角色：转发车或者普通车；
DontForwardMessage：控制器发给转发车的信息，里面包含一张不转发表，转发车将不转发列在不转发表上的车辆发来的所有信息。
优选地，所述车辆未进入控制路段，或者车辆离开上一个控制路段后，车辆将会周期性发送HelloMessage，直至收到AckHelloMessage；
控制器收到HelloMessage后，首先根据HelloMessage中的位置信息判断发送HelloMessage的车辆是否在该控制器的控制路段内，若否则静默丢弃，若在则将该车辆的信息加入其内部设置的车辆信息表，并将HelloMessage的信息以及控制器控制路段的lc_start和lc_end信息填入AckHelloMessage，发送给该车辆；
车辆收到AckHelloMessage后把当中的所有信息保存，然后周期性地将当前位置信息与AckHelloMessage中的位置信息进行对比，当车辆当前位置与AckHelloMessage中的位置按照车辆速度、时间预测得出的位置有10％以上的差别时，车辆重新向发送控制器HelloMessage，对控制器中的信息进行更新。
优选地，设转发链的维持时间为x，则x时间后，通过二分搜索算法重新选取转发车形成新的转发链。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的系统通过在各个路段使用二分搜索算法从运行在该路段的车辆中选取转发车，从而在各个路段形成一条维持时间最长、信号覆盖整个路段的转发链，因此，该系统的数据链的稳定性与现有技术相比得到了提高。
附图说明
图1为系统的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，软件定义车载网络系统包括设置在各个路段上的用于管辖相应路段的控制器，所述各个控制器之间能够进行通信；所述每个控制器通过二分搜索算法从运行在其控制路段的车辆中选取转发车，以形成一条维持时间最长、信号覆盖整个路段的转发链，转发链上的转发车接收到数据包后，将数据包向前转发。
在具体的实施过程中，每个控制器的控制路段通过lc_start和lc_end两个二维向量表示，lc_start表示控制路段起点处左侧和或右侧上的一点，lc_end表示控制路段结束处与lc_start对角的一点；设车辆的通信半径为signal_range。由于不同控制路段的车辆之间也需要通讯，所以在控制路段的首段和尾段分别有通讯半径(signal_range)一半的保护区间。首尾相接的两条路只要都保证保护区间里面有转发车则可以保证消息可以从一个路段传到另一个路段，不论两条路的相接角度如何。保护区间的边界由上述定义的车辆“距离”确定。控制路段内距离lc_start小于0.5*signal_range的区域为首保护区间。控制路段内距离lc_start大于(road_length–0.5*signal_range)的区域为尾保护区间。
在具体的实施过程中，每个控制器为它所控制的控制路段维护一个车辆信息表。车辆信息表保存在控制路段的所有车辆的信息。当控制器收到来自所在控制路段的车辆发来的Hello包时，会更新或者插入(如果车辆不在本控制器的控制路段的车辆信息表中)车辆信息。当车辆离开控制路段时，车辆信息将从车辆信息表中删除。
信息包括以下几项：
(1)定位信息，包括位置、速度；
(2)保存选路过程中动态规划时所产生的临时变量，包括下一跳ID以及最小跳数；
(3)车辆的“钦点”结果，指代这辆车是否被选择为转发车；
(4)不转发列表，仅当车辆为转发车时有意义，该转发车将被要求不转发在不转发列表中的车发来的所有数据包，用以防止广播风暴。
在具体的实施过程中，所述二分搜索算法选取转发车的具体过程如下：
(1)初始化上下限
算法的下限为0，表示不能建立任何的链接，算法的上限由在首段保护区间内预期逗留最久的车辆在首段保护区间的逗留时间确定；
(2)进行二分查找
根据上下限，计算中值mid，调用函数TestResult(mid)测试是否能找出在中值要求的时间内都能维持的链接，如果能，则更新中值为下限，再次根据上下限计算中值；以上过程循环计算，直到上下限均小于预先设定的阈值，此时结束二分查找；
(3)根据结果选择转发车
经过步骤(2)的计算后，如果下限仍为0，说明算法无法找到任何的链接，返回空的转发链；如果下限不为0，则说明存在链接，调用函数TestResult(lowerbound)计算转发信息，然后从首保护区间中选择跳数最少的，预期逗留在首段保护区间内最久的车辆作为首辆转发车，并根据其最佳下一跳，递归生成转发链，直到下一跳为空。
其中TestResult(x)函数返回在当前控制路段内是否存在一条能维持x时间以上的转发链。该函数在运行时会重置并更新控制器车辆信息表中各辆车的下一跳ID(next_id)以及最小跳数(minhop)。即使用该函既作为判定函数，也作为实际的寻路方法(method)。TestResult(x)使用动态规划计算车辆的next_id及minhop，最后根据首保护区间内是否有车的next_id不为空而判断当前控制路段内是否存在一条能维持x时间以上的转发链。
Figure BDA0001194241260000071
动态规划的转移方程如(1)所示，di，dj分别是两辆车在控制路段的距离。当两辆车i,j有关系CHL(i,j,x)时，车i的下一跳设为j，且minhopi＝minhopj+1。循环中，di<di+1。
vi、vj为车i、车j在当前控制路段的速度，di、dj为车i、车j在当前控制路段的距离。当车i、车j与时间x满足以下关系时，我们认为车i和j之间有CHL关系：
(1)dj-di<signal_range//当前车i与车j能通讯；
(2)di+vi*x<road_legth//x秒后车i仍在当前控制路段；
(3)dj+vj*x<road_legth//x秒后车j仍在当前控制路段；
(4)|di+vi*x-dj+vj*x|<signal_range//x秒后车i与车j能通讯；
(5)minhopj+1<minhopi//使用车j作为下一跳点网络距离更近
在具体的实施过程中，所述数据包通过SCH信道以广播的形式发往转发车，转发车接收到数据包后进行一系列的判断决定是否要转发该数据包：
(1)该数据包是否为广播包；
(2)该数据包是否是从SCH接口上接收到的；
(3)该数据包的TTL是否大于0；
(4)该数据包的发送者是否不在不转发表上；
(5)转发车是否仍在控制器的控制路段内；
仅当以上条件为全真时，转发车才会对数据包进行转发。
在具体的实施过程中，所述转发车在转发数据包前先进行以下操作：
(1)减少数据包的TTL；
(2)把数据包的Source IP修改为自身SCH接口的ip；
当TTL>0时，转发数据包。
在具体的实施过程中，所述控制器与车辆之间通过四种通讯包进行通讯：
HelloMessage：车辆往控制器发送的数据包，包含了车辆的ip、车辆的位置、车辆的速度三项信息；
AckHelloMessage：控制器回复车辆HelloMessage的信息，除了包含HelloMessage的所有信息外，还包含该控制器控制路段的lc_start和lc_end信息；
AppointmentMessage：控制器发送给车辆的“钦点”信息，指示车辆在路段中担当的角色：转发车或者普通车；
DontForwardMessage：控制器发给转发车的信息，里面包含一张不转发表，转发车将不转发列在不转发表上的车辆发来的所有信息。
控制器之间的通讯包则为LC2LC,其中包含一张列表，标识着发送控制器的控制路段中选出来的所有转发车。
在具体的实施过程中，所述车辆未进入控制路段，或者车辆离开上一个控制路段后，车辆将会周期性发送HelloMessage，直至收到AckHelloMessage；
控制器收到HelloMessage后，首先根据HelloMessage中的位置信息判断发送HelloMessage的车辆是否在该控制器的控制路段内，若否则静默丢弃，若在则将该车辆的信息加入其内部设置的车辆信息表，并将HelloMessage的信息以及控制器控制路段的lc_start和lc_end信息填入AckHelloMessage，发送给该车辆；
车辆收到AckHelloMessage后把当中的所有信息保存，然后周期性地将当前位置信息与AckHelloMessage中的位置信息进行对比，当车辆当前位置与AckHelloMessage中的位置按照车辆速度、时间预测得出的位置有10％以上的差别时，车辆重新向发送控制器HelloMessage，对控制器中的信息进行更新。
在具体的实施过程中，设转发链的维持时间为x，则x时间后，通过二分搜索算法重新选取转发车形成新的转发链。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种软件定义车载网络系统，其特征在于：包括设置在各个路段上的用于管辖相应路段的控制器，所述各个控制器之间能够进行通信；所述每个控制器通过二分搜索算法从运行在其控制路段的车辆中选取转发车，以形成一条维持时间最长、信号覆盖整个路段的转发链，转发链上的转发车接收到数据包后，将数据包向前转发；
每个控制器的控制路段通过lc_start和lc_end两个二维向量表示，lc_start表示控制路段起点处左侧和或右侧上的一点，lc_end表示控制路段结束处与lc_start对角的一点；设车辆的通信半径为signal_range，控制路段的首段和尾段分别设置有长度为signal_range一半的保护区间；选取转发车形成转发链时，首段和尾段的保护区间内均包含有有转发车；
所述二分搜索算法选取转发车的具体过程如下：
(1)初始化上下限
算法的下限为0，表示不能建立任何的链接，算法的上限由在首段保护区间内预期逗留最久的车辆在首段保护区间的逗留时间确定；
(2)进行二分查找
根据上下限，计算中值mid，调用函数TestResult(mid)测试是否能找出在中值要求的时间内都能维持的链接，如果能，则更新中值为下限，再次根据上下限计算中值；以上过程循环计算，直到上下限均小于预先设定的阈值，此时结束二分查找；
(3)根据结果选择转发车
经过步骤(2)的计算后，如果下限仍为0，说明算法无法找到任何的链接，返回空的转发链；如果下限不为0，则说明存在链接，调用函数TestResult(lowerbound)计算转发信息，然后从首保护区间中选择跳数最少的，预期逗留在首段保护区间内最久的车辆作为首辆转发车，并根据其最佳下一跳，递归生成转发链，直到下一跳为空。
2.根据权利要求1所述的软件定义车载网络系统，其特征在于：设车i为第i辆选中的转发车，若车j满足以下关系，则将车j选为车i的下一跳：
(1)dj-di<signal_range//当前车i与车j能通讯；
(2)di+vi*x<road_legth//x秒后车i仍在当前控制路段；
(3)dj+vj*x<road_legth//x秒后车j仍在当前控制路段；
(4)|di+vi*x-dj+vj*x|<signal_range//x秒后车i与车j能通讯；
(5)minhopj+1<minhopi//使用车j作为下一跳点网络距离更近；
其中dj、di表示车i、车j之间的位置，vi、vj表示车i、车j的速度，road_legth表示控制路段的长度，由lc_start和lc_end的欧几里得距离表示。
3.根据权利要求1所述的软件定义车载网络系统，其特征在于：所述数据包通过SCH信道以广播的形式发往转发车，转发车接收到数据包后进行一系列的判断决定是否要转发该数据包：
(1)该数据包是否为广播包；
(2)该数据包是否是从SCH接口上接收到的；
(3)该数据包的TTL是否大于0；
(4)该数据包的发送者是否不在不转发表上；
(5)转发车是否仍在控制器的控制路段内；
仅当以上条件为全真时，转发车才会对数据包进行转发。
4.根据权利要求3所述的软件定义车载网络系统，其特征在于：所述转发车在转发数据包前先进行以下操作：
(1)减少数据包的TTL；
(2)把数据包的Source IP修改为自身SCH接口的ip；
当TTL>0时，转发数据包。
5.根据权利要求4所述的软件定义车载网络系统，其特征在于：所述控制器与车辆之间通过四种通讯包进行通讯：
HelloMessage：车辆往控制器发送的数据包，包含了车辆的ip、车辆的位置、车辆的速度三项信息；
AckHelloMessage：控制器回复车辆HelloMessage的信息，除了包含HelloMessage的所有信息外，还包含该控制器控制路段的lc_start和lc_end信息；
AppointmentMessage：控制器发送给车辆的“钦点”信息，指示车辆在路段中担当的角色：转发车或者普通车；
DontForwardMessage：控制器发给转发车的信息，里面包含一张不转发表，转发车将不转发列在不转发表上的车辆发来的所有信息。
6.根据权利要求5所述的软件定义车载网络系统，其特征在于：所述车辆未进入控制路段，或者车辆离开上一个控制路段后，车辆将会周期性发送HelloMessage，直至收到AckHelloMessage；
控制器收到HelloMessage后，首先根据HelloMessage中的位置信息判断发送HelloMessage的车辆是否在该控制器的控制路段内，若否则静默丢弃，若在则将该车辆的信息加入其内部设置的车辆信息表，并将HelloMessage的信息以及控制器控制路段的lc_start和lc_end信息填入AckHelloMessage，发送给该车辆；
车辆收到AckHelloMessage后把当中的所有信息保存，然后周期性地将当前位置信息与AckHelloMessage中的位置信息进行对比，当车辆当前位置与AckHelloMessage中的位置按照车辆速度、时间预测得出的位置有10％以上的差别时，车辆重新向发送控制器HelloMessage，对控制器中的信息进行更新。
7.根据权利要求1～6任一项所述的软件定义车载网络系统，其特征在于：设转发链的维持时间为x，则x时间后，通过二分搜索算法重新选取转发车形成新的转发链。
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车载自组织网络在智能交通中的应用研究综述;程嘉朗，倪巍，吴维刚，曹建农，李宏建;《计算机科学》;20140630;全文 *

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