CN107124470A - 基于命名数据网的车联网架构及网络层通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于命名数据网的车辆网构架，通过在网络层部署命名数据网的内容块协议，从而构建基于命名数据网的车联网架构，顺应未来车联网的发展。该架构共分为感知层、网络层和物理层三层。其中感知层是由多种传感器以及传感器网关组成，能够采集车辆的行驶状态信息、交通状态信息以及道路环境信息；网络层相当于车联网的神经中枢和大脑，利用命名数据网的内容块协议来传递和处理从感知层获取的信息；物理层则创建数据传输所需要的物理链路。此外，为提升车联网运行效率，基于命名数据网的车联网架构没有设计独立的传输层，而是依靠策略层来实现IP网络传输层的各项功能，可有效节省带宽并提高内容共享率。

Description

基于命名数据网的车联网架构及网络层通信方法

技术领域

本发明属于通信网络架构设计领域，特别针对当前基于TCP/IP协议的车联网存在的IP地址空间耗尽、移动性差等问题。

背景技术

车联网是一种特殊形式的物联网，它的建设与发展将大大改变人们未来的生活。然而面对车联网日益增长的通信需求，TCP/IP协议已不堪重负，逐渐暴露出移动性不足、IP地址空间耗尽以及可扩展性差等问题。当前车联网采用IEEE WAVE协议栈。为实现车车通信与车路通信并与当前IP网络兼容，WAVE协议栈在传输层和网络层中采用TCP/IP协议。虽然WAVE相对于其他无线通信技术来说，已具有超低传输时延(0.0002秒)、高传输距离(1000米)与高传输速率(27Mbit/s)等优异的通信特性。但是当前车联网基于IP地址的特点使它不能很好地支持节点移动性，如拓扑结构的迅速变化会导致节点IP地址的频繁重新分配，极大地考验了网络的路由性能以及数据传输的可靠性。

然而命名数据网以数据为导向，不再包含显式的主机或接口地址等位置信息，从根本上改变了IP包的封装结构和寻址方式，具有短时延、低功耗、高可靠等特点，可充分应对未来移动互联网的发展。与IP网络相比，命名数据网采用内容块协议，内容块协议包括数据命名策略、路由转发策略、安全性策略以及网内缓存策略等。命名数据网通过内容块协议交换Interest包和Data包进行通信，其中Interest包为数据请求包，Data包为数据回复包，两者均以命名数据为标识。此外，命名数据网的内容块协议支持自适应转发平面，能够结合路由表和数据平面的综合状态来指导Interest包和Data包的路由和转发，从而实现网络的智能化与可扩展化。在自适应转发平面中路由节点由3种数据结构组成：请求状态表(Pending Interest Table,PIT)、转发表(Forwarding Information Base,FIB)以及内容存储池(Content Store,CS)。PIT负责存储待响应的Interest包信息，方便将对应的Data包回传给用户。FIB与IP网络中的路由表相似，均为数据包的转发提供路径信息。但IP网络只允许使用一个端口对数据包进行转发，而命名数据网的内容块协议则允许同时使用多个端口转发同一个Interest包。CS用来存储最近被申请过的Data包，便于满足后续相同的Interest请求，为网络通信节省了带宽和流量。

因此，命名数据网以数据为驱动，具有平衡网络负载，减少网络流量、提升通信可靠性等优势。将其应用到车联网中能够较好地满足其大数据量、高数据率、低延迟的发展需求。

发明内容

针对现有技术本发明设计了一种基于命名数据网的车联网架构。该架构可以降低因拓扑结构变化快，通信链路持续时间短和节点移动范围广而造成的传输干扰时间以及传输时延。

为了解决当前基于IP地址的车联网存在的技术问题，本发明提出的一种基于命名数据网的车辆网构架，包括感知与应用层、网络层和物理层，所述感知与应用层是由多种传感器以及传感器网关组成，用于采集车辆的行驶状态信息、交通状态信息以及道路环境信息；所述网络层利用命名数据网的内容块协议来传递和处理从感知与应用层获取的信息；所述物理层则创建数据传输所需要的物理链路。

上述基于命名数据网的车联网架构下，当车辆A发送申请某一内容的Interest请求时，所述网络层的通信过程如下：

步骤一、车辆A将命名数据封装到Interest包，并洪泛在网络层中；

步骤二、命名数据网的内容块协议依据Interest包的命名数据寻找与之匹配的车辆节点或命名数据网的服务器；

步骤三、寻找到匹配的车辆节点或命名数据网的服务器之后，车辆节点或命名数据网的服务器把数据封装到Data包，并将Data包沿Interest包路径相反的方向回传给车辆A；在上述回传的同时将Data包缓存在沿途车辆节点的CS中；若未找到匹配的车辆节点或命名数据网的服务器，则丢弃该Interest包。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于命名数据网的车联网架构是在原有基于TCP/IP协议分组数据通信模式的车联网架构基础上，在网络层部署命名数据网络的内容块协议。该架构能够极大地减少网络回传压力并提高控制管理网络流量的效率，从而更好地适用于拓扑结构频繁变化的环境。

附图说明

图1为本发明基于命名数据网的车联网架构的通信协议分层图；

图2为本发明基于命名数据网的车联网架构网络层通信过程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种基于命名数据网的车辆网构架的设计思路是，在网络层部署命名数据网的内容块协议，从而构建基于命名数据网的车联网架构，顺应未来车联网的发展。

如图1所示，该架构共分为感知与应用层、网络层和物理层三层。所述感知与应用层是由多种传感器以及传感器网关组成，能够采集车辆的行驶状态信息、交通状态信息以及道路环境等信息，获取文件以及流媒体；所述网络层相当于车联网的神经中枢和大脑，利用命名数据网的内容块协议来传递和处理从感知与应用层获取的信息；所述物理层则创建数据传输所需要的物理链路。此外，为提升车联网运行效率，基于命名数据网的车联网架构没有设计独立的传输层，而是依靠策略层来实现IP网络传输层的各项功能，可有效节省带宽并提高内容共享率。

利用上述基于命名数据网的车联网架构，本发明提出的一种基于命名数据网的车联网架构网络层通信方法，如图2所示，当车辆A发送申请某一内容的Interest请求时，其中，所述网络层的数据传输过程如下：

步骤一、车辆A将命名数据封装到Interest包，并洪泛在网络层中。

步骤二、命名数据网中内容块协议依据Interest包的命名数据寻找与之匹配的数据源，即车辆节点或是命名数据网的服务器。

步骤三、寻找到匹配的车辆节点或命名数据网的服务器之后，车辆节点或命名数据网的服务器把数据封装到Data包，并将Data包沿Interest包路径相反的方向回传给车辆A。在上述回传的同时将Data包缓存在沿途车辆节点(不含有请求的数据)的CS中。

若未找到匹配的车辆节点或命名数据网的服务器，则丢弃该Interest包。

实验例：

本实验部署在高性能计算机上，其中核心计算部件CPU采用Intel(R)Core(TM)i5-3470CPU@3.20GHz，每个CPU包括4个核。内存采用DDR3 4GB，频率为1600MHz。操作系统应用32位Windows 7。本实验利用搭建好的基于NS-3的命名数据网通信仿真平台ndnSIM2.0进行仿真实验，采用C++和Python程序语言实现。通过在ndnSIM 2.0中对物理层和数据链路层的接口模块进行配置与修改，使其与当前IP网络的底层传输环境相同，让实验结果更加具有对比性与说服力。实验结果表明基于命名数据网的车联网架构网络层因拓扑结构快速改变而产生的传输干扰时间约为390ms；车车通信时网络层端到端时延小于0.061539ms；车路通信时网络层端到端时延小于0.181224ms。实验表明该网络通信架构有着更加优秀的移动通信性能。综上所述，基于命名数据网的车联网架构网络层通信性能能够极大地满足车联网的性能需求，为未来物联网的发展提供了新思路。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于命名数据网的车辆网构架，包括感知与应用层、网络层和物理层，其特征在于，所述感知与应用层是由多种传感器以及传感器网关组成，用于采集车辆的行驶状态信息、交通状态信息以及道路环境信息；所述网络层利用命名数据网的内容块协议来传递和处理从感知与应用层获取的信息；所述物理层则创建数据传输所需要的物理链路。

2.一种基于命名数据网的车联网架构网络层通信方法，其特征在于，采用权利要求所述基于命名数据网的车联网架构，当车辆A发送申请某一内容的Interest请求时，所述网络层通信过程如下：

步骤一、车辆A将命名数据封装到Interest包，并洪泛在网络层中；

步骤二、命名数据网的内容块协议依据Interest包的命名数据寻找与之匹配的车辆节点或命名数据网的服务器；

步骤三、寻找到匹配的车辆节点或命名数据网的服务器之后，车辆节点或命名数据网的服务器把数据封装到Data包，并将Data包沿Interest包路径相反的方向回传给车辆A；在上述回传的同时将Data包缓存在沿途车辆节点的CS中；

若未找到匹配的车辆节点或命名数据网的服务器，则丢弃该Interest包。