CN111526187A - 基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法及系统 - Google Patents

基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法、系统、存储介质及车辆，包括以下步骤：步骤1：建立SDVN；步骤2：建立控制器分层模型；步骤3：SDVN架构的通信方式；步骤4：发送请求；步骤5：筛选车辆；步骤6：分割任务；步骤7：数据转发；步骤8：接收计算结果并支付报酬。本发明能够满足车载应用的计算需求和提高车联网中数据转发的效率。

Description

基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法及系统
技术领域
本发明属于软件定义车联网络、车联网技术领域，具体涉及一种基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法、系统、存储介质及车辆。
背景技术
近年来，随着通信技术的发展，车联网被认为是物联网体系中最具有产业潜力，市场需求最明确的领域之一。车联网技术向着智能化、网联化方向演进，车载操作系统、新型汽车电子、车载通信、服务平台、安全等关键技术成为研究热点。但车辆资源有限，无法处理车载或路边传感器采集到的海量交通数据，以及车联网中数据转发效率低是目前引发出的新的挑战。
针对车载应用的计算需求，一方面可以升级车载计算机，但是这种方法成本高昂。也可以使用远程云服务器来满足计算需求，但传统的集中式云计算在车辆环境中存在延时大、连接不稳定的特点。车联网是由车辆与路边单元组成的车载网络，是以车载自组织网络为基础的多跳混合无线网络。与其他无线网络相比，车联网具有网络规模大、网络拓扑受限、节点移动可预测等特征，车辆与车辆之间能够在临时组建的快速变化的车载自组织网络中进行通信和计算资源共享。
随着软件定义网络(SDN)的迅猛发展，这个新兴技术有望推动城市交通的进步，将软件定义网络引入到车联网络中，新的基于软件定义网络的车联网将提供具有灵活性和可编程性的通信业务。
因此，有必要开发一种新的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法、系统、存储介质及车辆。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法、系统、存储介质及车辆，能满足车载应用的计算需求和提高车联网中数据转发的效率。
第一方面，本发明所述的一种基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法，包括以下步骤：
步骤1：建立SDVN，所述SDVN包括应用层、控制层和数据层；其中，应用层包括各种不同的应用程序；控制层为软件定义的控制器，分为全局控制器和局部控制器；数据层包括路边单元、基站和车辆；
步骤2：建立控制器分层模型；将整个车联网分成多个路段，每个路段分配一个局部控制器，局部控制器的范围能覆盖整个路段，该范围内的所有车辆都有机会连接到该局部控制器，各个局部控制器负责的区域不重叠；局部控制器与车辆节点、路边单元和基站相连，用于掌握该局部控制器范围内所有节点的网路信息，并接收车辆节点、路边单元和基站的请求消息，向车辆节点、路边单元和基站提供路由指导；全局控制器与局部控制器通过有线网络进行通信，全局控制器负责对全网所有的节点进行监控和管理，维护网络拓扑和网络状态信息，并在局部控制器发生故障时，由全局控制器进行接管；
步骤3：SDVN架构的通信方式；所述SDVN架构的通信方式有：
车车通信，即车辆与车辆之间采用短距离直接通信技术进行通信；
车辆与控制器通信；
车辆与路边单元、基站通信，称为V2I；
以及路边单元、基站与控制器通信；
步骤4：发送请求；车辆从应用层下载业务或应用程序后，在执行业务或应用程序时产生计算任务，当计算任务超出车辆的计算能力时，该车辆向周边预设范围内的车辆发出任务计算请求，并称发送任务的车辆为请求车辆，接受任务的车辆为执行车辆；
步骤5：筛选车辆；请求车辆根据执行车辆返回的消息，筛选出愿意执行计算任务，满足计算资源且计算能力强的车辆作为执行车辆，并按执行车辆与请求车辆的距离进行排序；
步骤6：分割任务；请求车辆根据筛选出的执行车辆的存储空间、计算能力、通信保持时间、传输时间和任务执行时间进行任务分割；
步骤7：数据转发；请求车辆将分割好的任务发送到执行车辆，执行车辆任务计算完成后将计算结果返回到请求车辆，若发送失败，表示请求车辆与该执行车辆通信链路已断开；请求车辆向局部控制器发送请求，局部控制器收到请求车辆的发送的请求，依据源地址与目的地址，计算出最优路径；请求车辆根据控制器返回的信息进行数据转发；
步骤8：接收计算结果并支付报酬；执行车辆任务计算完成后将计算结果返回到请求车辆，请求车辆按照执行车辆执行的任务量支付报酬。
进一步，所述步骤8中，将整个车联网当作一个交易市场，并在初始时刻为每个车辆节点设计相同数目的虚拟货币，当车辆节点接受网络服务时则付出预设的货币，当车辆节点为其他车辆节点提供任务计算或者数据转发时，则获得预设的货币。
进一步，所述步骤4中：
当请求车辆节点需要进行任务协同计算时，发送任务迁移请求消息T-request到其一跳范围内的相邻节点；任务迁移请求消息T-request定义为一个六元组{I，G，C，R，x，y}；其中：
I表示请求车辆的ID信息；
G表示请求车辆的GPS信息；
C表示请求车辆需要完成的计算任务量；
R表示完成任务计算所需的软件资源；
x表示任务计算的单价；
y表示数据转发的单价；
相邻的车辆节点收到消息后根据自身计算能力、存储能力和通信时间决定是否接受任务；任务迁移回复消息T-accept定义为一个四元组{Ii，Gi，Ci，Si|(i≥1)}：
Ii表示执行车辆i的ID信息；
Gi表示执行车辆i的GPS信息；
Ci表示执行车辆i能接收的计算任务量；
Si表示执行车辆i的CPU运行速率。
进一步，所述任务分割具体包括以下步骤：
(6.1)执行车辆发送基本信息到请求车辆；
(6.2)请求车辆根据车辆位置、速度信息计算通信保持时间；
(6.3)请求车辆计算通信保持时间内能够发送到各执行车辆的任务量，记为A，并与执行车辆发送到请求车辆的最大计算任务量B进行比较；
(6.4)若A小于B，则将A作为各执行车辆的子任务量；否则B为传输到各执行车辆的子任务量；
(6.5)请求车辆将各子任务量发送到对应的执行车辆。
进一步，所述数据转发具体包括以下步骤：
(7.1)计算任务；
(7.2)请求车辆检测一跳范围内车辆的可用性；
(7.3)若无满足条件的车辆，则返回步骤(7.1)；若有满足条件的车辆，则对筛选出的执行车辆进行排序；
(7.4)请求车辆按照各执行车辆的自身条件分割任务；
(7.5)执行车辆根据分配的任务进行计算；
(7.6)判断各执行车辆计算完成后是否与请求车辆保持持续通信；
(7.7)若否，则请求局部控制器重新规划路径，控制器制定策略并发送控制信息到相应的车辆和基础设施；执行车辆根据插入的流表项执行相应的动作，并返回计算结果到请求车辆；
(7.8)若是，则返回计算结果到请求车辆。
第二方面，本发明所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发系统，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有一个或多个计算机可读程序，所述计算机可读程序被一个或多个处理器调用执行时，能实现如本发明所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法的步骤。
第三方面，本发明所述的存储介质，其存储有一个或多个计算机可读程序，所述计算机可读程序被一个或多个控制器调用执行时，能实现如本发明所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法的步骤。
第四方面，本发明车辆，采用如本发明所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发系统。
本发明具有以下优点：
(1)能够满足车载应用的计算需求和提高车联网中数据转发的效率；
(2)分层控制器模型，有助于解决车辆数量达到一定数量造成局部控制器接收信息过载，出现局部控制器失效无法及时处理车辆请求的情况；若局部控制器失效，则向全局控制器发起请求，由全局控制器进行处理；
(3)将整个车联网络比作一个交易市场，且为每辆车辆节点分配等数量的虚拟货币，任务计算执行完成后，以虚拟货币的形式请求车辆向执行车辆支付报酬，用于激励执行车辆协助请求车辆完成任务计算。
附图说明
图1为本实施例中SDVN架构图；
图2为本实施例中多层控制器模型架构图；
图3为本实施例中筛选车辆流程图；
图4为本实施例中分割任务流程图；
图5为本实施例中数据转发流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例中，一种基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法，包括以下步骤：
步骤1：建立SDVN。如图1所示，软件定义车联网架构是由南向接口(SBI)和北向接口(NBI)连接的应用层、控制层、数据层组成的三层结构；其中，应用层包括各种不同的应用程序；控制层为软件定义的控制器，分为全局控制器和局部控制器；数据层包括路边单元、基站和车辆。
本实施例中，应用层通过底层资源的调用能够实现包括路由、安全和QoS服务等不同功能的应用程序。控制层主要为控制器，它是逻辑集中控制中心，具有掌握全局信息的能力，其中两个重要的特点为：可编程性和灵活性，其目的是建立和跟踪网络状态和拓扑。数据层抽象RSU、BS、车辆统一为软件定义网络交换机，支持SDN功能，其中BS(基站)和RSU(路边单元)是固定基础设施组件，车辆作为移动组件。所有交换机接收控制器的控制信息并采取相应的行动。控制层通过NBI接口向应用层提供全局网络视图，研究人员能够通过编程的方式调用数据层资源，实现相应的配置管理。控制层通过SBI实现对数据层交换机的管理和控制，数据层交换机通过SBI向控制层发送状态、请求等信息，目前使用的通信协议为OpenFlow，控制层和数据层通过OpenFlow控制信道实现两层的信息交互。
步骤2：建立控制器分层模型。将整个车联网分成多个路段，每个路段分配一个局部控制器，局部控制器的范围能覆盖整个路段，该范围内的所有车辆都有机会连接到该局部控制器，各个局部控制器负责的区域不重叠。如图2所示，局部控制器与车辆节点、RSU和BS相连，掌握该局部控制器范围内所有节点的网路信息，并接收三者的请求消息，向其提供路由指导。全局控制器面向整个车联网，与局部控制器通过有线网络进行通信，掌握整个车联网的节点的设备信息，对所有节点进行统一监管和管理，维护网络拓扑和网络状态信息，并在局部控制器发生故障时，由全局控制器进行接管，确保服务的连续性。
步骤3：SDVN架构的通信方式。所述SDVN架构的通信方式有：车车通信，属于数据层通信，车辆作为任务的发送者和接受者直接进行通信。每个车辆可以由信标(beacon)消息来获得相邻车辆的基础信息，包括该车的位置、速度、航向等。VANET的多跳通信是一种优势，但是如果数据包转发超过3跳，可靠性就会降低，延时就会增加。在该拓扑结构中，请求车辆只与该车一跳范围内的车辆进行通信，筛选出任务执行车辆。车辆与控制器通信，属于控制层通信，每个车辆需要周期性向控制器发送位置、速度、航向等GPS信息，由此控制器可以构建出用于数据包转发的节点连接图。在本实施例中，请求车辆将筛选出任务的执行车辆，并将执行车辆的ID等信息发送到控制器；控制器建立和维护请求车辆与各执行车辆的流表。BS、RSU与控制器通信，属于控制层通信，BS和RSU实时收集的道路状况信息将它们发送到控制器，因此，控制器可以更好的管理全网状态，为车辆提供更优的服务。车辆与BS或RSU通信，属于数据层通信，车辆与BS通信通过LTE/4G/5G，车辆与RSU通信通过WiFi。
步骤4：发送请求。车辆从应用层下载业务或应用程序后，在执行业务或应用程序时产生计算任务，当计算任务超出车辆的计算能力时，该车辆向周边预设范围(本实施例中，为一跳范围内)内的车辆发出任务计算请求，并称发送任务的车辆为请求车辆，接受任务的车辆为执行车辆。具体为：
当请求车辆节点需要进行任务协同计算时，发送任务迁移请求消息T-request到其一跳范围内的相邻节点。任务迁移请求消息T-request定义为一个六元组{I，G，C，R，x，y}。其中：
I表示请求车辆的ID信息；
G表示请求车辆的GPS信息；
C表示请求车辆需要完成的计算任务量；
R表示完成任务计算所需的软件资源；
x表示任务计算的单价；
y表示数据转发的单价。
请求车辆发送任务迁移请求消息T-request到其一跳范围内的车辆节点。相邻的车辆节点收到消息后根据自身计算能力、存储能力、通信时间等因素决定是否接受任务。任务迁移回复消息T-accept定义为一个四元组{Ii，Gi，Ci，Si|(i≥1)}：
Ii表示执行车辆i的ID信息；
Gi表示执行车辆i的GPS信息；
Ci表示执行车辆i能接收的计算任务量；
Si表示执行车辆i的CPU运行速率。每个执行车辆根据自己的剩余内存和CPU运行速率完成对Ci的估值。
步骤5：筛选车辆。根据执行车辆返回的消息，筛选出愿意执行计算任务，满足计算资源且计算能力强的车辆作为执行车辆，并按执行车辆与请求车辆的距离进行排序。如图3所示，具体流程如下：
(5.1)系统初始化；
(5.2)任务迁移请求车辆发送任务迁移消息到该车一跳范围内的邻近车辆；
(5.3)邻近车辆查看消息；
(5.4)邻近车辆判断是否愿意执行任务；
(5.5)若愿意执行任务，则判断是否满足请求车辆所需的计算资源；若满足，则完成筛选，若不满足，则舍弃。
(5.6)若不愿意执行任务，则舍弃。
步骤6：分割任务。使用执行车辆节点的存储空间、计算能力、通信保持时间、传输时间、任务执行时间作为请求车辆任务分割与分配的指标。如图4所示，本实施例中，任务分割的流程图如下：
(6.1)执行车辆发送基本信息到请求车辆；
(6.2)请求车辆根据车辆位置、速度等信息计算通信保持时间；
(6.3)请求车辆计算通信保持时间内能够发送到各执行车辆的任务量(记为A)，并与执行车辆发送到请求车辆的最大计算任务量(记为B)比较；
(6.4)若A小于B，则将A作为各执行车辆的子任务量；否则B为传输到各执行车辆的子任务量；
(6.5)请求车辆将各子任务量发送到对应的执行车辆。
步骤7：数据转发。当请求车辆有计算任务需要周边车辆协助完成时，收集周边车辆的状态信息，并发送任务迁移请求消息，筛选出满足要求的车辆作为任务迁移执行车辆。根据目标选择策略对任务迁移执行车辆进行排序，根据排序之后各个车辆的基本信息计算出车辆节点能执行的任务量，并进行任务分割，当任务迁移请求车辆为车辆N发送子任务后没有任务剩余，表示相应的任务量已经卸载到对应的车辆节点。各执行车辆完成子任务的计算时将计算结果返回到任务迁移请求车辆，针对车辆的高度移动性，考虑两种结果返回的情况。若执行车辆与请求车辆的通信链路断开，执行车辆发送请求消息“packet-in”到控制器，控制器根据全局状态信息计算出数据包传输路径，通过“Modify-State”消息修改相应的流表项，之后数据包通过匹配流表项返回计算结果到请求车辆。
如图5所示，本实施例中，数据转发的具体流程如下：
(7.1)计算任务；
(7.2)请求车辆检测一跳范围内车辆的可用性；
(7.3)若有满足条件的车辆，则对筛选出的执行车辆进行排序，若无满足条件的车辆，则返回步骤(7.1)；
(7.4)请求车辆按照各执行车辆的自身条件分割任务；
(7.5)执行车辆根据分配的任务进行计算；
(7.6)判断各执行车辆计算完成后是否与请求车辆保持持续通信；
(7.7)若否，则请求局部控制器重新规划路径，局部控制器制定策略并发送控制信息到相应的车辆和基础设施；执行车辆根据插入的流表项执行相应的动作，并返回计算结果到请求车辆；
(7.8)若是，则返回计算结果到请求车辆。
步骤8：接收计算结果并支付报酬。将整个车联网当作一个交易市场，初始时刻，为每个车辆节点设计相同数目的虚拟货币，车辆节点接受网络服务时就要付出相应的货币，若车辆节点为其他车辆节点提供任务计算或者数据转发就可以获得相应量的货。因此，进行超负载任务计算的车辆节点或不断进行通信的车辆节点为保证自身拥有足够的虚拟货币，需要不断的为其他车辆节点提供服务。
其中，任务计算的单价为x，数据转发的单价为y。请求车辆需要为执行车辆支付两种费用，一种为任务计算的费用，该费用可由计算任务的单价和任务计算量的乘积获得；另一种为数据转发的费用，该费用可由转达数据的单价和转发数据量的乘积获得。
本实施例中，一种基于软件定义车联网的任务计算和数据转发系统，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有一个或多个计算机可读程序，所述计算机可读程序被一个或多个处理器调用执行时，能实现如本实施例中所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法的步骤。
本实施例中，一种存储介质，其存储有一个或多个计算机可读程序，所述计算机可读程序被一个或多个控制器调用执行时，能实现如本实施例中所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法的步骤。
本实施例中，一种车辆，采用如本实施例中所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发系统。

Claims (8)

1.一种基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立SDVN，所述SDVN包括应用层、控制层和数据层；其中，应用层包括各种不同的应用程序；控制层为软件定义的控制器，分为全局控制器和局部控制器；数据层包括路边单元、基站和车辆；
步骤2：建立控制器分层模型；将整个车联网分成多个路段，每个路段分配一个局部控制器，局部控制器的范围能覆盖整个路段，该范围内的所有车辆都有机会连接到该局部控制器，各个局部控制器负责的区域不重叠；局部控制器与车辆节点、路边单元和基站相连，用于掌握该局部控制器范围内所有节点的网路信息，并接收车辆节点、路边单元和基站的请求消息，向车辆节点、路边单元和基站提供路由指导；全局控制器与局部控制器通过有线网络进行通信，全局控制器负责对全网所有的节点进行监控和管理，维护网络拓扑和网络状态信息，并在局部控制器发生故障时，由全局控制器进行接管；
步骤3：SDVN架构的通信方式；所述SDVN架构的通信方式有：
车车通信，即车辆与车辆之间采用短距离直接通信技术进行通信；
车辆与控制器通信；
车辆与路边单元、基站通信，称为V2I；
以及路边单元、基站与控制器通信；
步骤4：发送请求；车辆从应用层下载业务或应用程序后，在执行业务或应用程序时产生计算任务，当计算任务超出车辆的计算能力时，该车辆向周边预设范围内的车辆发出任务计算请求，并称发送任务的车辆为请求车辆，接受任务的车辆为执行车辆；
步骤5：筛选车辆；请求车辆根据执行车辆返回的消息，筛选出愿意执行计算任务，满足计算资源且计算能力强的车辆作为执行车辆，并按执行车辆与请求车辆的距离进行排序；
步骤6：分割任务；请求车辆根据筛选出的执行车辆的存储空间、计算能力、通信保持时间、传输时间和任务执行时间进行任务分割；
步骤7：数据转发；请求车辆将分割好的任务发送到执行车辆，执行车辆任务计算完成后将计算结果返回到请求车辆，若发送失败，表示请求车辆与该执行车辆通信链路已断开；请求车辆向局部控制器发送请求，局部控制器收到请求车辆的发送的请求，依据源地址与目的地址，计算出最优路径；请求车辆根据控制器返回的信息进行数据转发；
步骤8：接收计算结果并支付报酬；执行车辆任务计算完成后将计算结果返回到请求车辆，请求车辆按照执行车辆执行的任务量支付报酬。
2.根据权利要求1所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法，其特征在于：所述步骤8中，将整个车联网当作一个交易市场，并在初始时刻为每个车辆节点设计相同数目的虚拟货币，当车辆节点接受网络服务时则付出预设的货币，当车辆节点为其他车辆节点提供任务计算或者数据转发时，则获得预设的货币。
3.根据权利要求1或2所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法，其特征在于：所述步骤4中：
当请求车辆节点需要进行任务协同计算时，发送任务迁移请求消息T-request到其一跳范围内的相邻节点；任务迁移请求消息T-request定义为一个六元组{I，G，C，R，x，y}；其中：
I表示请求车辆的ID信息；
G表示请求车辆的GPS信息；
C表示请求车辆需要完成的计算任务量；
R表示完成任务计算所需的软件资源；
x表示任务计算的单价；
y表示数据转发的单价；
相邻的车辆节点收到消息后根据自身计算能力、存储能力和通信时间决定是否接受任务；任务迁移回复消息T-accept定义为一个四元组{Ii，Gi，Ci，Si|(i≥1)}：
Ii表示执行车辆i的ID信息；
Gi表示执行车辆i的GPS信息；
Ci表示执行车辆i能接收的计算任务量；
Si表示执行车辆i的CPU运行速率。
4.根据权利要求3所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法，其特征在于：所述任务分割具体包括以下步骤：
(6.1)执行车辆发送基本信息到请求车辆；
(6.2)请求车辆根据车辆位置、速度信息计算通信保持时间；
(6.3)请求车辆计算通信保持时间内能够发送到各执行车辆的任务量，记为A，并与执行车辆发送到请求车辆的最大计算任务量B进行比较；
(6.4)若A小于B，则将A作为各执行车辆的子任务量；否则B为传输到各执行车辆的子任务量；
(6.5)请求车辆将各子任务量发送到对应的执行车辆。
5.根据权利要求4所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法，其特征在于：所述数据转发具体包括以下步骤：
(7.1)计算任务；
(7.2)请求车辆检测一跳范围内车辆的可用性；
(7.3)若无满足条件的车辆，则返回步骤(7.1)；若有满足条件的车辆，则对筛选出的执行车辆进行排序；
(7.4)请求车辆按照各执行车辆的自身条件分割任务；
(7.5)执行车辆根据分配的任务进行计算；
(7.6)判断各执行车辆计算完成后是否与请求车辆保持持续通信；
(7.7)若否，则请求局部控制器重新规划路径，局部控制器制定策略并发送控制信息到相应的车辆和基础设施；执行车辆根据插入的流表项执行相应的动作，并返回计算结果到请求车辆；
(7.8)若是，则返回计算结果到请求车辆。
6.一种基于软件定义车联网的任务计算和数据转发系统，包括存储器和处理器，其特征在于：所述存储器内存储有一个或多个计算机可读程序，所述计算机可读程序被一个或多个处理器调用执行时，能实现如权利要求1至5任一所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法的步骤。
7.一种存储介质，其特征在于：其存储有一个或多个计算机可读程序，所述计算机可读程序被一个或多个控制器调用执行时，能实现如权利要求1至5任一所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发方法的步骤。
8.一种车辆，其特征在于：采用如权利要求6所述的基于软件定义车联网的任务计算和数据转发系统。
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