高效軟件定義車載網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、車載網(wǎng)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。依靠車與車、車與路、車與人的通信，車載網(wǎng)可以優(yōu)化出行路線，提高出行效率，減少尾氣排放，提高交通安全。但是傳統(tǒng)車載自組織網(wǎng)絡(luò)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，車載路由器根據(jù)局部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑦x擇最優(yōu)路由路徑。這種分布式的局部最優(yōu)路由選擇機(jī)制，會造成最短路徑上的報文發(fā)送數(shù)量遠(yuǎn)超過其他路徑上的報文發(fā)送量，進(jìn)而導(dǎo)致鏈路擁塞情況的出現(xiàn)。為了解決分布式路由機(jī)制所存在的報文流分布不均衡問題，Ian等人首次提出了軟件定義車載網(wǎng)的概

2、念。軟件定義車載網(wǎng)是把軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到車載網(wǎng)絡(luò)中，通過將車載網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面相分離，并且將控制邏輯集中到一個集中控制器上的方式，提供全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D和集中的路由控制，優(yōu)化路由性能，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。
　　目前，軟件定義車載網(wǎng)的研究尚處于起步階段，還有很多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。如單控制器結(jié)構(gòu)的性能瓶頸和單點失效問題；OpenFlow通信協(xié)議在車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通信代價高的問題；多副本路由協(xié)議未能充分利用全局

3、視圖優(yōu)勢的問題；車載網(wǎng)絡(luò)中無線鏈路不穩(wěn)定造成的鏈路中斷問題。本文對以上關(guān)鍵技術(shù)問題做了深入研究，設(shè)計了一個層次式的多控制器結(jié)構(gòu)和一個基于地理方向的通信協(xié)議GeoFlow，并提出了一個協(xié)作式多副本路由協(xié)議Spray-and-Prey以及兩個基于移動通信中繼的鏈路中斷修復(fù)機(jī)制。本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點包括以下四個方面:
　　第一，本文針對單控制器結(jié)構(gòu)存在的單點失效和可擴(kuò)展性問題，提出了一個基于層次式多控制器的軟件定義車載網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。該

4、結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干子網(wǎng)，并在每個子網(wǎng)中部署本地控制器來提高控制器系統(tǒng)對車載交換機(jī)請求的處理速度。本文還設(shè)計了控制器的切換機(jī)制和管理機(jī)制，分別用來以減少車載交換機(jī)在本地控制器之間切換的時間和在滿足網(wǎng)絡(luò)性能需求的前提下最大化地降低網(wǎng)絡(luò)能耗開銷。
　　第二，本文針對OpenFlow通信協(xié)議在軟件定義車載網(wǎng)絡(luò)中存在的通信代價高的問題，提出了基于地理位置方向的通信協(xié)議GeoFlow。GeoFlow通信協(xié)議以報文發(fā)送的方向作為報文匹配和分類

5、的標(biāo)準(zhǔn)，延長了流表項的有效時間，降低了車載交換機(jī)向控制器請求報文轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的頻率，從而減少了報文轉(zhuǎn)發(fā)的通信開銷。同時，GeoFlow協(xié)議還支持在車載交換機(jī)之間傳遞路由信息，減少控制器對報文的處理，降低報文發(fā)送延遲。
　　第三，本文針對現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)中多副本路由無法充分利用軟件定義車載網(wǎng)集中式控制優(yōu)勢的問題，提出了協(xié)作式多副本路由協(xié)議Spray-and-Prey。該協(xié)議利用集中式控制器的全局網(wǎng)絡(luò)視圖，從全局視角評估中繼節(jié)點的報文轉(zhuǎn)發(fā)效用

6、，選取全局最優(yōu)中繼節(jié)點。同時設(shè)計了協(xié)作式副本選擇機(jī)制，來及時刪除發(fā)送延遲期望高的副本、優(yōu)化副本質(zhì)量。還設(shè)計了副本清除機(jī)制，在同一個報文的第一個副本到達(dá)目標(biāo)節(jié)點后，快速清除該報文在網(wǎng)絡(luò)中的其他副本以減少網(wǎng)絡(luò)存儲和帶寬的開銷。
　　第四，本文針對軟件定義車載網(wǎng)中無線通信鏈路容易中斷的問題，提出了基于移動通信中繼的鏈路中斷修復(fù)機(jī)制。本文設(shè)計了基于多無人機(jī)中繼鏈的控制鏈路中斷修復(fù)機(jī)制，通過控制無人機(jī)的移動最大化控制器和車載交換機(jī)的鏈路容量