高效軟件定義車載網(wǎng)絡關鍵技術研究.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)絡采用分布式體系結構，車載路由器根據(jù)局部的網(wǎng)絡拓撲信息選擇最優(yōu)路由路徑。這種分布式的局部最優(yōu)路由選擇機制，會造成最短路徑上的報文發(fā)送數(shù)量遠超過其他路徑上的報文發(fā)送量，進而導致鏈路擁塞情況的出現(xiàn)。為了解決分布式路由機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)絡技術應用到車載網(wǎng)絡中，通過將車載網(wǎng)中網(wǎng)絡設備的數(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)絡拓撲視圖和集中的路由控制，優(yōu)化路由性能，提高網(wǎng)絡資源利用率。
　　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鍵技術問題。如單控制器結構的性能瓶頸和單點失效問題；OpenFlow通信協(xié)議在車載網(wǎng)絡環(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)絡中無線鏈路不穩(wěn)定造成的鏈路中斷問題。本文對以上關鍵技術問題做了深入研究，設計了一個層次式的多控制器結構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機制。本文的主要貢獻和創(chuàng)新點包括以下四個方面:
　　第一，本文針對單控制器結構存在的單點失效和可擴展性問題，提出了一個基于層次式多控制器的軟件定義車載網(wǎng)絡體系結構。該

4、結構將網(wǎng)絡劃分為若干子網(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)對車載交換機請求的處理速度。本文還設計了控制器的切換機制和管理機制，分別用來以減少車載交換機在本地控制器之間切換的時間和在滿足網(wǎng)絡性能需求的前提下最大化地降低網(wǎng)絡能耗開銷。
　　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、的標準，延長了流表項的有效時間，降低了車載交換機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。同時設計了協(xié)作式副本選擇機制，來及時刪除發(fā)送延遲期望高的副本、優(yōu)化副本質(zhì)量。還設計了副本清除機制，在同一個報文的第一個副本到達目標節(jié)點后，快速清除該報文在網(wǎng)絡中的其他副本以減少網(wǎng)絡存儲和帶寬的開銷。
　　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機制。本文設計了基于多無人機中繼鏈的控制鏈路中斷修復機制，通過控制無人機的移動最大化控制器和車載交換機的鏈路容量