一種優(yōu)化的基于軟件定義車聯(lián)網(wǎng)的路由方法

張 雪，高德云

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

1 概 述

消息的快速和及時(shí)傳輸對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的路由協(xié)議如貪婪周邊無狀態(tài)路由(GPSR)，在選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)存在局部最小化的問題。盡管有部分文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，能夠根據(jù)車速、方向等信息選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，但會(huì)造成控制開銷的明顯提升，并且需要額外傳輸層協(xié)議的配合。

傳統(tǒng)的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有低延遲和覆蓋廣的優(yōu)勢(shì)，但是由于車輛的高速移動(dòng)性，在車輛和基站之間存在頻繁的網(wǎng)絡(luò)切換，路由不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)缺乏良好的魯棒性[1]。

針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的高速移動(dòng)場(chǎng)景，國際電子工程學(xué)會(huì)(IEEE)提出了WAVE[2]協(xié)議。該協(xié)議是應(yīng)用于車與車、車與路邊單元之間數(shù)據(jù)交換的通信協(xié)議，主要由802.11p無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1609協(xié)議族組成[3]。在物理信道上，分為控制信道和服務(wù)信道。WAVE協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 WAVE/IEEE 1609網(wǎng)絡(luò)模型

在WAVE模式下得到認(rèn)可的具有代表性的路由協(xié)議主要有DSR、GPSR、AODV和DSDV[5]。但網(wǎng)絡(luò)性能受節(jié)點(diǎn)密度和移動(dòng)速度影響嚴(yán)重。

針對(duì)上述問題，為了更好地解決車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通信和路由問題，提升網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，結(jié)合蜂窩網(wǎng)和IEEE 802.11p無線局域網(wǎng)絡(luò)，引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車聯(lián)網(wǎng)和核心網(wǎng)的統(tǒng)一管理。基于智能SDN的管理和協(xié)議，在無線接入部分提出控制和數(shù)據(jù)分離、上行和下行分離、無限資源動(dòng)態(tài)適配等技術(shù)，提高頻譜效率和能量效率；在中央控制器實(shí)現(xiàn)高效的內(nèi)容分發(fā)和快速的路由策略，增加數(shù)據(jù)吞吐率和網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。同時(shí)，通過車聯(lián)網(wǎng)和中央控制器之間的資源共享和聯(lián)合優(yōu)化，還能提供網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和個(gè)性化業(yè)務(wù)定制，實(shí)現(xiàn)SDN系統(tǒng)與異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)的深度融合。并通過仿真，對(duì)提出的路由協(xié)議的性能進(jìn)行測(cè)試與分析。

2 基于SDN的異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)以一種系統(tǒng)的方式控制網(wǎng)絡(luò)，能將網(wǎng)絡(luò)中路由器的控制功能分離到中央控制器。中央控制器是SDN架構(gòu)實(shí)現(xiàn)路由功能的核心，它根據(jù)交換機(jī)上報(bào)的信息為所有的數(shù)據(jù)流選定路由[6]。這種基于流的路由架構(gòu)帶來了較高的靈活性和可編程能力。將SDN和車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行更加精細(xì)的路由算法提供了可能，將彌補(bǔ)原來所缺少的靈活性和可編程能力，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理，改善V2V和V2I服務(wù)。

文中提出的異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)結(jié)合了IEEE 802.11p的車載自組網(wǎng)絡(luò)和基于LTE設(shè)施的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，利用不同的無線技術(shù)完成WAVE協(xié)議族中管理面和數(shù)據(jù)面的消息轉(zhuǎn)發(fā)。管理面使用LTE長(zhǎng)距離無線技術(shù)，數(shù)據(jù)面使用802.11p無線技術(shù)。每個(gè)車輛都具備雙接口的車載單元OBU(On-Board Unit)，能夠支持V2V和V2I通信。車輛節(jié)點(diǎn)之間通過802.11p通信，車輛和基站通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于SDN的異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

軟件定義車聯(lián)網(wǎng)(Software Defined Vehicular Ad-hoc NETwork,SD-VANET)通過在車聯(lián)網(wǎng)中引入SDN架構(gòu)，解耦網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)面和控制面，可以邏輯化地中央管理網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，進(jìn)而為車聯(lián)網(wǎng)提供自適應(yīng)性、可編程能力以及規(guī)模可伸縮性。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在邏輯上分為基礎(chǔ)設(shè)施層和決策控制層。前者由車聯(lián)網(wǎng)和核心網(wǎng)組成，后者由路邊單元(Road Side Unit，RSU)控制器和中央控制器組成。

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

車聯(lián)網(wǎng)中的車輛節(jié)點(diǎn)通過基站或者RSU與核心網(wǎng)連接，核心網(wǎng)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與外部的互聯(lián)網(wǎng)連接。在車聯(lián)網(wǎng)中，存在多種接入方式，包括4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和IEEE 802.11p(WAVE)無線接入方式。各個(gè)無線接入點(diǎn)在RSU控制器的控制下，可以滿足車聯(lián)和基站的多重接入方式，比如控制與數(shù)據(jù)分離、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上下行分離、多點(diǎn)協(xié)同傳輸?shù)取：诵木W(wǎng)中的中央控制器負(fù)責(zé)流表項(xiàng)的更新，下達(dá)路由轉(zhuǎn)發(fā)、內(nèi)容存取和安全策略等。

OBU：普通車輛節(jié)點(diǎn)，由中央SDN控制器控制，歸屬于數(shù)據(jù)面元素。每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)都具有IEEE 802.11p(WAVE)接口和LTE接口，運(yùn)行在IEEE 802.11p協(xié)議下只關(guān)注數(shù)據(jù)面。數(shù)據(jù)面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，并接受來自中央控制器的控制消息，依此來執(zhí)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)行為。

2.2 決策控制層

RSU控制器和中央控制器通過SDN的東西向接口互聯(lián)，完成車輛請(qǐng)求和業(yè)務(wù)要求的信令傳輸。彼此通過服務(wù)接口和中央控制器連接，上傳數(shù)據(jù)記錄，獲取基于各種功能引擎實(shí)現(xiàn)的快速?zèng)Q策結(jié)果。

中央控制器：軟件定義車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的邏輯控制中心，控制整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)行為。

RSU：道路兩側(cè)部署的接入設(shè)備，由SDN控制器控制。每個(gè)RSU單元都運(yùn)行一個(gè)SDN代理模塊和IEEE 802.11p(WAVE)協(xié)議棧，WAVE協(xié)議棧本身分為數(shù)據(jù)面和管理面。數(shù)據(jù)面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，管理面存儲(chǔ)道路的信息和車輛自身的信息，并接受來自中央控制器的控制消息，并依此執(zhí)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)行為。

2.3 軟件定義車聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式

SDN架構(gòu)運(yùn)行在混合模式下，除了中央控制器具備決策能力之外，RSU也具備控制能力[7]。當(dāng)車輛到中央控制器的無線信道中斷時(shí)，RSU的代理控制器將擁有決策能力來處理路由轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。在系統(tǒng)暫時(shí)失去與中央控制器的連接時(shí)，RSU控制器將臨時(shí)發(fā)揮路由決策和控制能力，混合式的SDN運(yùn)行模式能維持網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。中央SDN控制器只發(fā)送定義了普遍行為的規(guī)則，RSU代理控制器來決定轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包和處理flow等級(jí)，數(shù)據(jù)在被發(fā)送前，由RSU代理控制器來決定用戶數(shù)據(jù)流到網(wǎng)絡(luò)中的訪問。

有了中央控制器和RSU代理控制器的支撐，SDN能和異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面融合，從而實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)和中央控制器的高效控制和聯(lián)合優(yōu)化。

3 基于SDN的異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)路由方案

SDN架構(gòu)是獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊粋€(gè)有效手段，利用集中式控制器，能夠在保證控制開銷可接受的前提下，運(yùn)行更加精密的路由算法來充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，提升網(wǎng)絡(luò)性能[8]。

車聯(lián)網(wǎng)多路徑拓?fù)渲写嬖诓黄胶獾能嚵髅芏群偷托У木W(wǎng)絡(luò)利用率。現(xiàn)有的車聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議性能制約了消息轉(zhuǎn)發(fā)的效率和可靠性。為了解決貪婪周邊轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議中存在的局部最小化問題，基于軟件定義車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，提出一種優(yōu)化的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略，并引入優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域的概念。

每個(gè)優(yōu)先區(qū)域通過3個(gè)參數(shù)來描述：位置、相對(duì)的RSU和其他距離。優(yōu)先區(qū)域需要滿足下列條件：到RSU的距離比其他OBU到RSU的距離短；它到其他OBU的距離比到其他OBU到RSU的距離短；它和其他OBU之間的距離大于其他距離。車輛發(fā)送消息時(shí)，將優(yōu)先選擇位于優(yōu)先區(qū)域內(nèi)的車輛作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

黑洞區(qū)域也由三個(gè)參數(shù)表征：位置、參考RSU和其他距離。由于傳統(tǒng)的GPSR路由算法在選擇下一跳時(shí)遵循右手準(zhǔn)則，存在局部最小化問題，這里將存在轉(zhuǎn)發(fā)空洞的區(qū)域定義為黑洞區(qū)域。當(dāng)OBU進(jìn)入黑洞區(qū)域時(shí)，將不能作為消息轉(zhuǎn)發(fā)的鄰居節(jié)點(diǎn)。

3.1 軟件定義車聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議

SDN架構(gòu)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是控制器可以通過Openflow[9]協(xié)議獲得全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。城市道路環(huán)境下，道路是規(guī)則固定的，RSU位置在地圖上是已知的，通過預(yù)先計(jì)算可以獲知每個(gè)RSU的優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域。

車輛和RSU交換beacon消息來學(xué)習(xí)關(guān)于周圍鄰居的信息，鄰居信息會(huì)周期地更新給SDN控制器，控制器由此構(gòu)建節(jié)點(diǎn)聯(lián)通圖，并依此做出決策。在消息源車輛發(fā)出消息前，SDN中央控制器會(huì)通過收集的信息、結(jié)合道路環(huán)境信息，計(jì)算出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域，為數(shù)據(jù)的路由做出決策，并下達(dá)指令和路由信息給RSU控制單元和SDN無線節(jié)點(diǎn)。

選出優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域的計(jì)算流程：每個(gè)OBU周期性發(fā)送beacon消息，上報(bào)自己的位置、速度和環(huán)境信息，控制器比較并且計(jì)算出當(dāng)前情況下的優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域。車輛節(jié)點(diǎn)遍歷自己的流表，獲知鏈路上可用的優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域。不在RSU覆蓋范圍下的OBU執(zhí)行以下算法選擇下一跳：OBU發(fā)現(xiàn)最近的RSU(歐氏距離)；OBU確認(rèn)關(guān)于RSU的優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域；OBU找到最近的優(yōu)先區(qū)域，如果存在的話，選擇該優(yōu)先區(qū)域內(nèi)的OBU作為通向最近RSU的下一跳。如果不存在優(yōu)先區(qū)域或者優(yōu)先區(qū)域不可達(dá)的話，OBU選擇最近的不在黑洞區(qū)域范圍內(nèi)的OBU，以及距離前述RSU最近的鄰居OBU，從這些鄰居OBU中選擇距離最近的RSU最近的OBU作為下一個(gè)可用的中繼節(jié)點(diǎn)。如果不存在滿足條件的鄰居OBU的話，就沒有下一個(gè)中繼可以選擇。

優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域計(jì)算算法

3.2 軟件定義車聯(lián)網(wǎng)路由修復(fù)策略

網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)，RSU收集來自周邊車輛的位置、速度信息，以及道路環(huán)境信息[10]。RSU周期性地計(jì)算和上報(bào)周邊車輛和道路信息情況，中央控制器根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算和選擇最佳的路由。通過下發(fā)控制指令給RSU控制器和車輛節(jié)點(diǎn)，將后續(xù)流量導(dǎo)向非擁塞的鏈路來保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量。同時(shí)，RSU代理控制器會(huì)將網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域信息存儲(chǔ)到本地。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)與中央控制器失去連接時(shí)，RSU代理控制器將充分發(fā)揮決策能力，利用存儲(chǔ)的優(yōu)先區(qū)域和黑洞區(qū)域信息，引導(dǎo)和控制消息的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)再次恢復(fù)與中央控制器的連接時(shí)，RSU代理控制器將繼續(xù)接收中央控制器下達(dá)的控制命令，并更新自己的流表選項(xiàng)。

4 仿真和性能分析

4.1 場(chǎng)景和參數(shù)

使用OMNET++和SUMO進(jìn)行仿真，并在veins中引入Openflow擴(kuò)展。SUMO生成道路網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，代表覆蓋面積1 000 m*1 000 m，每個(gè)單元格200 m。SDN控制器位于仿真場(chǎng)景的中央[11-14]。每個(gè)OBU有多個(gè)無線接口：802.11p用于短距離通信，長(zhǎng)距離使用LTE通信。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，數(shù)據(jù)包生成速率是4包/s，每個(gè)數(shù)據(jù)包大小是1 024字節(jié)。Beacon消息的間隔是500 ms。SDN無線節(jié)點(diǎn)以1 s間隔向SDN控制器更新鄰居消息。每次仿真運(yùn)行10次取平均值，每次仿真時(shí)長(zhǎng)5 min。

仿真模型最上層代表整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。下層的Annotations模塊提供交通流量仿真，信道控制模塊負(fù)責(zé)切換信道。

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 基于SDN異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)的路由與傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)路由的比較

文中提出的軟件定義車聯(lián)網(wǎng)路由算法，通過RSU控制器來收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，中央控制器匯總信息，能立即檢測(cè)出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓⒆龀鲎顑?yōu)的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略。

改進(jìn)路由算法與傳統(tǒng)的GPSR路由算法在數(shù)據(jù)包傳遞率上的比較如圖4所示。由圖4可以看出，改進(jìn)算法優(yōu)于傳統(tǒng)的GPSR路由算法。

4.2.2 SDN控制器連接中斷時(shí)的修復(fù)機(jī)制

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)與SDN中央控制器的連接中斷時(shí)，中央控制器不再更新路由規(guī)則，數(shù)據(jù)包傳遞率急速下降。并且由于車輛的移動(dòng)性，車速越快，路由規(guī)則的時(shí)效性越遲滯，性能下降越明顯。在SUMO生成的仿真網(wǎng)格道路環(huán)境下，使用相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，當(dāng)控制器的中斷時(shí)間為60 s時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 優(yōu)化前后路由方法的性能對(duì)比

圖5 原有路由協(xié)議失去SDN控制時(shí)的數(shù)據(jù)包傳遞率

同樣的場(chǎng)景下，當(dāng)SDN中央控制器網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，觸發(fā)備選路由機(jī)制。RSU代理控制器能通過收集周邊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境信息，利用SDN中央控制器之前下發(fā)的控制指令，臨時(shí)發(fā)揮路由決策能力，維持?jǐn)?shù)據(jù)包傳遞率在較好的水平。圖6展示了基于SDN的路由修復(fù)機(jī)制的數(shù)據(jù)包傳遞率。

圖6 修復(fù)機(jī)制下的數(shù)據(jù)包傳遞率

通過仿真，比較和歸納了基于SDN的路由方案與原有車聯(lián)網(wǎng)路由方案的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法在提高數(shù)據(jù)包傳遞率和路由的修復(fù)能力方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)路由算法。

5 結(jié)束語

針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)中現(xiàn)有路由協(xié)議的不足，提出了一種基于SDN的異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議。車輛節(jié)點(diǎn)周期性地更新鄰居信息，經(jīng)RSU上報(bào)給SDN中央控制器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中車輛密度變化影響數(shù)據(jù)包傳遞時(shí)，由中央控制器做出路由決策，并在系統(tǒng)失去與SDN中央控制器的連接時(shí)，采用備選路由機(jī)制。該方法能有效提高網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的傳遞率，更好地滿足車聯(lián)網(wǎng)中對(duì)消息傳遞率和可靠性的要求。此外，軟件定義車聯(lián)網(wǎng)也能更好地適應(yīng)變化的網(wǎng)絡(luò)狀況和需求。

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