CN110247850A - 一种基于动态路由表的船联网协议 - Google Patents

Abstract

本发明属于船联网通信技术领域，特别涉及机会网络通信，具体是一种基于动态路由表的船联网协议。主要原理是：每个节点在缓存中维护一个动态路由表，并根据所有节点的路由表构造当前网络的连接拓扑图。若源节点与目的节点在同一连通图内，根据机会连通路由算法进行数据传输；若源节点与目的节点不在同一连通图内，根据机会非连通路由算法进行数据传输。若源节点的下一跳中没有目的节点，则源节点在更新路由表时继续向网络中发送数据包。数据传输过程中，两船交换已传输成功数据包列表，删除缓存中的已传输成功数据包。本发明可以适应海洋网络通信环境，以相对低廉的成本进行海量非实时数据传输，提出的路由算法可以有效减少时延，提高效率。

Description

一种基于动态路由表的船联网协议

技术领域

本发明属于船联网通信技术领域，特别涉及机会网络通信，具体是一种基于动态路由表的船联网协议。

背景技术

志愿船观测计划是指征集商船、渔船、调查船等在海上从事观测或商业活动的船舶，通过在船舶上安装自动观测设备的方式来获取有价值的海洋监测数据，从而为海洋测报活动和海洋科学研究提供数据支持。通过志愿船观测获取到的近岸、中远海和远洋航线上各类设备的数据不仅能为海上气象服务提供参考数据，对于海洋科学研究、国防军事建设和海上运输与海上交通安全等方面也都有非常重要的参考价值。志愿船观测已经成为了一项国际义务，然而我国的志愿船观测计划发展趋势并不乐观，因此发展我国的志愿船观测项目就显得尤为重要，这有助于提升我国在中远海的实时监测能力。正在实施的国际志愿船观测计划是由 JCOMM(The Joint WMO/IOC Technical Commission forOceanography and Marine Meteorology，海洋学和海洋气象学联合技术委员会)管理的，JCOMM是由WMO(World Meteorological Organization，世界气象组织)和IOC(Intergovernmental Oceanographic Commission，联合国教科文组织政府间海洋学委员会)合办的主要负责海洋和海洋气象探测、数据管理与服务的一个国际的、政府间专家团体。中国作为联合国常任理事国也有义务参与到志愿船观测项目中来。

随着计算机与通信技术的快速发展，人们的日常生活已经离不开网络。在陆地上使用互联网已经十分便利，但是在海洋环境中，目前还主要依靠卫星通信。然而卫星通信费用十分昂贵，大多数用户很难承担，因此卫星通信只适用于实时传送少量紧急数据。对于那些非紧急且数据量较大的数据，如各类观测设备的海洋观测数据等，则可以通过志愿船间的船联网来实现传输。志愿船由于携带大量观测数据，可以通过船联网将数据转发到其他志愿船的方式，将携带的数据传送到近岸，这样在本次航行结束之前，数据便可传送到岸，以便进行气象观测和科学研究，大大节约了时间成本，提高了传输效率。

机会网络是一种以“存储-携带-转发”的方式逐跳进行数据传输的网络通信模式。机会网络和传统的多跳无线网络不同，其网络规模和节点位置不能提前确定，源节点和目的节点之间不需要存在完整链路，因此这种通信方式适用于节点较为稀疏且网络状态不稳定的海洋环境。船与船之间的相遇机会带来了机会网络通信的可能性，机会网络不需要固定的基础设施进行通信的特点也给实现船联网数据传输带来可能性和便利性。海洋环境中的通信节点密度稀疏，船与船之间相遇的机会较少，因此，常见的机会网络路由算法如：Epidemic算法、 Spray and Wait算法等都无法直接应用于海洋场景中。需要开发一种新的适合海洋机会网络环境的专有路由协议，开发该协议的主要目标是要形成“近海成面、外海成片、远洋成线”的船舶测报系统。

发明内容

鉴于现有的机会网络路由算法本身具有局限性，不能满足在海洋环境场景下实现船联网通信，本发明提出了一种基于动态路由表的船联网协议，从而可以实现以相对低廉的成本对海量非实时数据进行传输。

本发明的技术方案如下：

一种基于动态路由表的船联网协议，包括以下步骤：

1)获取船舶的AIS信息。

AIS(Automatic Identification System，船舶自动识别系统)是一种应用于船与岸、船与船之间的海事安全与通信的新型助航系统。常由VHF(Very High Frequency，甚高频)通信机、GPS(Global Positioning System，全球定位系统)定位仪和与船载显示器及传感器等相连接的通信控制器组成，装配有AIS设备的船舶，能自动交换船位、航速、航向、船名、呼号等重要信息。在本发明中，需要获取的AIS信息包括船舶的航迹向、航速和位置信息，其中位置信息即所在位置的经纬度信息。

2)每个节点根据AIS提供的位置信息在节点缓存中维护一个动态路由表。

将海域内的每个船舶看作是一个通信节点，整个海域内航行的所有船舶组成一个机会通信网络。根据AIS提供的位置信息在每个节点的缓存中维护一个路由表。每个节点所维护的路由表每隔半小时更新一次。

3)根据网络中每个节点的路由表构造该网络的连接拓扑图。

在某一时刻，根据网络中每个节点的路由表，可以构造出该海域所组成的通信网络的连接拓扑图。该拓扑图可以是连通图或非连通图。

4)判断数据传输的源节点与目的节点是否在同一连通图内。

当源节点与目的节点在同一连通图内时，则根据机会连通路由算法来寻找合适的中继节点进行数据传输。假设传输的数据每经过一个节点算作一跳，根据连通图中每个节点的路由表优先选择跳数最少的路径进行数据传输，若存在多条路径跳数相同，则根据AIS位置信息选择一条实际距离最短的路径进行数据传输。

当源节点与目的节点不在同一连通图内时，在当前网络中可能存在两个或多个连通图，此时需要寻找一个与源节点在同一连通图中的最有可能到达目的节点所在的连通图的船舶作为中继节点。根据机会非连通路由算法，该中继节点需满足下列条件：

(1)中继节点的航向与目的节点当前所在位置一致；

(2)当有多个节点航向与目的节点所在位置一致时，应选择距离目的节点所在的连通图最近的节点作为中继节点。

5)两船成功建立连接，发送数据包。

设置转发门限值n，源节点在每次更新路由表后，都通过上述路由算法向网络中发送数据包，直到到达转发门限值则不再转发。若源节点与目的节点之间只有一跳，即源节点不经过中继节点直接将数据发送给目的节点，则源节点在下次更新后不再发送该数据包。

6)判断缓存中是否含有已被成功传输的数据包。

(1)每个节点缓存中维护一个已传输成功数据包队列L；

(2)当两节点相遇后，各自更新其已传输成功数据包队列为两节点已传输成功数据包队列的并集；

(3)更新队列L后，检查节点缓存中的数据包，删除在队列L中已存在的数据包。

及时删除已传输成功的数据包可以使已传输成功的数据包不再占用节点缓存，不被重复存储和转发，能有效遏制已传输成功数据包在网络中的继续传播，从而提高节点缓存利用率，提高网络资源利用率。

7)两船完成数据传输，断开连接。

附图说明

图1为基于动态路由表的船联网协议工作流程图；

图2为机会非连通路由算法基本原理图。

具体实施方式

以下结合图例，对本发明进行详细说明。

本发明提出的基于动态路由表的船联网协议主要包含两个路由算法：机会连通路由算法和机会非连通路由算法。假设某海域内的全部志愿船组成了一个机会通信网络，现有一志愿船A要向目标志愿船B传输数据。如图1所示，本发明的主要步骤如下：

1)源节点A请求发送数据，先获取其他节点的AIS信息。

AIS信息包括了船位、航速、航向、船名、呼号等重要信息。在本发明中，源节点A需要获取其所在连通图内所有节点的AIS信息和目的节点B的AIS信息，需要获取的AIS信息包括船舶的航迹向、航速和位置信息，其中位置信息即所在位置的经纬度信息。

2)网络中每个节点根据AIS信息在节点缓存中维护一个动态路由表。

将海域内的每个船舶看作是一个通信节点，整个海域内航行的所有船舶组成一个机会通信网络。根据AIS提供的位置信息在每个节点的缓存中维护一个路由表，该路由表每隔半小时更新一次。

3)构造源节点A与目的节点B所在网络的连接拓扑图。

当源节点A要向目的节点B发送数据时，根据网络中每个节点的路由表，可以构造这一时刻该海域内所有船舶所组成的通信网络的连接拓扑图。该拓扑图可以是连通图或非连通图。

4)判断源节点A与目的节点B是否在同一连通图内。

在船联网中，由于节点稀疏，船与船之间的相遇机会较少，因此寻找最优中继节点有助于消息更快的传送到目的节点，从而减少时延、提高效率。本发明提出了两个路由算法，分别是机会连通路由算法和机会非连通路由算法。

当节源点A与目的节点B在同一连通图内时，则根据机会连通路由算法来寻找合适的中继节点进行数据传输。假设传输的数据每经过一个节点算作一跳，根据连通图中每个节点的路由表优先选择跳数最少的路径进行数据传输。若从源节点A到目的节点B共有两条路径跳数均为最小，则需要根据AIS位置信息，分别计算两条路径的实际长度，选择一条实际距离最短的路径进行数据传输。

当节点A与节点B不在同一连通图内时，如图2所示，在当前网络中可能存在两个或多个连通图，此时需要寻找一个与源节点A在同一连通图中的最有可能到达目的节点B所在的连通图的船舶作为中继节点。根据机会非连通路由算法，该中继节点需满足下列条件：

(1)中继节点的航向与目的节点当前所在位置一致；

(2)当有多个节点航向与目的节点所在位置一致时，应选择距离目的节点所在的连通图最近的节点作为中继节点。

5)源节点A与目的节点B成功建立连接，发送数据包。

对于志愿船组成机会网络来说，由于海域辽阔，船舶分布稀疏，节点密度较小，而机会网络是依靠船舶航行带来的相遇机会进行数据传输，因此数据传输的成功率需要相对较高才能发挥机会网络的优势。因此源节点A在每次更新路由表后，都通过上述路由算法向网络中发送数据包，直到到达设置的转发门限值n，则不再转发。若源节点A与目的节点B之间只有一跳，即源节点不经过中继节点直接将数据发送给目的节点，则源节点在下次更新后不再发送该数据包。

6)判断缓存中是否含有已被成功传输的数据包。

在志愿船船联网中，通过机会网络转发的消息都是数据量较大的数据包，因此存储无用的数据包会异常耗费节点资源。在数据包传输过程中应判断是否已含有成功传输的数据包，并及时从节点缓存中删除已被成功传输的数据包，以避免资源浪费。

(1)每个节点缓存中维护一个已传输成功数据包队列L；

(2)当节点C和节点D相遇后，节点C和节点D各自更新其已传输成功数据包队列为L＇，其中L＇＝L₁∪L₂(L₁为节点C的已传输成功数据包队列，L₂为节点D的已传输成功数据包队列)；

(3)更新队列L后，检查节点缓存中的数据包，删除在队列L中已存在的数据包。

及时删除已传输成功的数据包可以使已传输成功的数据包不再占用节点缓存，不被重复存储和转发，有效减少已传输成功数据包占用网络资源，从而提高网络资源利用率，提高转发效率。

7)源节点A成功将数据传送到目的节点B，断开连接。

Claims (1)

1.一种基于动态路由表的船联网协议，包括以下步骤：

1)获取船舶的AIS信息

需要获取的AIS信息包括船舶的航迹向、航速和位置信息；

2)每个节点根据AIS提供的位置信息在节点缓存中维护一个动态路由表

根据AIS提供的位置信息在每个节点的缓存中维护一个路由表，每个节点所维护的路由表每隔半小时更新一次；

3)根据网络中每个节点的路由表构造该网络的连接拓扑图

在某一时刻，根据网络中每个节点的路由表，构造该海域所组成的通信网络的连接拓扑图；

4)判断数据传输的源节点与目的节点是否在同一连通图内

当源节点与目的节点在同一连通图内时，根据机会连通路由算法选择跳数最少的路径进行数据传输，若存在多条路径跳数相同，则根据AIS位置信息选择一条实际距离最短的路径进行数据传输；

当源节点与目的节点不在同一连通图内时，根据机会非连通路由算法，选择合适的中继节点，该中继节点需满足下列条件：

(1)中继节点的航向与目的节点当前所在位置一致；

(2)当有多个节点航向与目的节点所在位置一致时，应选择距离目的节点所在连通图最近的节点作为中继节点；

5)两船成功建立连接，发送数据包

设置转发门限值n，源节点在每次更新路由表后，都通过上述路由算法向网络中发送数据包，直到到达转发门限值则不再转发；若源节点与目的节点之间只有一跳，则源节点在下次更新后不再发送该数据包；

6)判断缓存中是否含有已被成功传输的数据包

(1)每个节点缓存中维护一个已传输成功数据包队列L；

(2)当两节点相遇后，各自更新其L为两节点已传输成功数据包队列的并集；

(3)更新队列L后，检查节点缓存中的数据包，删除在队列L中已存在的数据包；

7)两船完成数据传输，断开连接。