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(huì)造成最短路徑上的報(bào)文發(fā)送數(shù)量遠(yuǎn)超過(guò)其他路徑上的報(bào)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(bào)文流分布不均衡問(wèn)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(guò)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(gè)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(wèn)題。如單控制器結(jié)構(gòu)的性能瓶頸和單點(diǎn)失效問(wèn)題；OpenFlow通信協(xié)議在車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通信代價(jià)高的問(wèn)題；多副本路由協(xié)議未能充分利用全局

3、視圖優(yōu)勢(shì)的問(wèn)題；車載網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線鏈路不穩(wěn)定造成的鏈路中斷問(wèn)題。本文對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題做了深入研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)層次式的多控制器結(jié)構(gòu)和一個(gè)基于地理方向的通信協(xié)議GeoFlow，并提出了一個(gè)協(xié)作式多副本路由協(xié)議Spray-and-Prey以及兩個(gè)基于移動(dòng)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(diǎn)包括以下四個(gè)方面:
　　第一，本文針對(duì)單控制器結(jié)構(gòu)存在的單點(diǎn)失效和可擴(kuò)展性問(wèn)題，提出了一個(gè)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(gè)子網(wǎng)中部署本地控制器來(lái)提高控制器系統(tǒng)對(duì)車載交換機(jī)請(qǐng)求的處理速度。本文還設(shè)計(jì)了控制器的切換機(jī)制和管理機(jī)制，分別用來(lái)以減少車載交換機(jī)在本地控制器之間切換的時(shí)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(kāi)銷。
　　第二，本文針對(duì)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(jià)高的問(wèn)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(bào)文發(fā)送的方向作為報(bào)文匹配和分類

5、的標(biāo)準(zhǔn)，延長(zhǎng)了流表項(xiàng)的有效時(shí)間，降低了車載交換機(jī)向控制器請(qǐng)求報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的頻率，從而減少了報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的通信開(kāi)銷。同時(shí)，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(duì)報(bào)文的處理，降低報(bào)文發(fā)送延遲。
　　第三，本文針對(duì)現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)中多副本路由無(wú)法充分利用軟件定義車載網(wǎng)集中式控制優(yōu)勢(shì)的問(wèn)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(píng)估中繼節(jié)點(diǎn)的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)效用

6、，選取全局最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。同時(shí)設(shè)計(jì)了協(xié)作式副本選擇機(jī)制，來(lái)及時(shí)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(jì)了副本清除機(jī)制，在同一個(gè)報(bào)文的第一個(gè)副本到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后，快速清除該報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的其他副本以減少網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和帶寬的開(kāi)銷。
　　第四，本文針對(duì)軟件定義車載網(wǎng)中無(wú)線通信鏈路容易中斷的問(wèn)題，提出了基于移動(dòng)通信中繼的鏈路中斷修復(fù)機(jī)制。本文設(shè)計(jì)了基于多無(wú)人機(jī)中繼鏈的控制鏈路中斷修復(fù)機(jī)制，通過(guò)控制無(wú)人機(jī)的移動(dòng)最大化控制器和車載交換機(jī)的鏈路容量