車輛自組織網絡路由協議研究

張靖文 石振剛

摘? 要：車輛自組織網絡（VANET）是一種特殊動態拓撲的移動自組織網絡。VANET將其中的每輛汽車變成一個移動節點，車輛在其中相互交換信息，并使用這些節點創建一個移動動態網絡。VANET的目的是提供無線連接并部署各種應用程序，提高安全性和交通效率。由于VANETS中的節點具有高移動性，因此將數據包路由到最終目的節點存在很多挑戰。該文總結了現有的VANET路由協議，并對它們進行分類和比較，然后列出了幾種經典的路由算法，并分析了它們的特性以及優缺點。最后，通過分析車載路由協議的現狀，闡述了未來車載路由協議將會遇到的困難和挑戰。

關鍵詞：VANET路由協議? V2V AODV路由? DSR路由? OLSR路由

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）05（a）-0006-04

Abstract： Vehicular ad hoc network （VANET） is a kind of mobile self-organizing network with special dynamic topology. VANET turns each of these cars into a mobile node， where the vehicles exchange information with each other， and uses these nodes to create a mobile dynamic network. The purpose of VANET is to provide wireless connectivity and deploy a variety of applications that improve security and traffic efficiency. Due to the high mobility of the nodes in VANETS， there are many challenges in routing packets to the final destination node. This paper summarizes the existing VANET routing protocols， classifies and compares them， and then lists several classical routing algorithms， and analyzes their characteristics， advantages and disadvantages. Finally， by analyzing the status quo of vehicle-mounted routing protocols， the difficulties and challenges that vehicle-mounted routing protocols will encounter in the future are expounded.

Key Words： VANET routing protocol; V2V; AODV routing; DSR routing; OLSR routing

在當代社會經濟快速發展的背景下，傳統的交通系統早已不能滿足實際的交通需求。智能交通系統[1]（Intelligent Transportation System，ITS）社會關注度不斷提高。網絡中的智能車輛并不是相互獨立的，只有通過與周圍車輛的互聯進而達到全網的信息共享，才能發揮各自的功能，實現協同效益。

1? VANET概述

VANET是一種特殊的網絡體系結構，由車載單元和路邊設施（RSU）組成，先利用無線數據傳輸與蜂窩網絡，Wi-Fi和無線設備連接，再通過網絡發送到移動數據管理中心。車輛自組織網絡是移動自組織網絡（MANET）[2]的特殊類別。近年來，智慧城市的提議引起了人們對VANET的更多關注。VANET提供的服務也已從傳統的駕駛安全要求轉變為更可靠、更全面的娛樂和生活需求。現在的VANET路由協議是移動自組織網絡路由協議衍生而來。為了在最小丟包率和負載控制的情況下使路由協議達到最大吞吐率，VANET開發出各種類型的路由協議。

2? VANET路由協議的分類

車輛自組織網絡路由協議分為兩類，分別是（車輛到車輛）V2V和（車輛到基礎設施）V2I。V2V路由協議主要有4種類型：基于拓撲的路由協議、基于位置的路由協議、基于集群的路由關聯協議、區域多播路由協議[3]。相應路由的分類如圖1所示。

2.1 基于拓撲的路由協議

該協議是通過網絡中的現有鏈接轉發數據，它包括主動路由、被動路由和混合路由。按需路由可以及時更新路由信息，但是使用洪泛算法來查找鏈接會增加路由負載以及引發相應的網絡安全問題。混合路由是指同時使用兩種方式，根據網絡狀態將節點劃分為區域，區域內和區域間采用不同的路由方式，從而提高路由效率和可靠性。典型的拓撲路由包含主動優化路由（OLSR）[3]、被動路由（AODV）和混合路由ZRP。

2.2 基于位置的路由協議

在基于位置的路由協議中，可以分為無延遲容錯網絡路由和延遲容錯網絡路由。前者的目標是盡快將數據包傳輸到目標節點，通常在有效填充的VANET中使用。后者所處的網絡環境缺乏穩定且持久的端到端路徑，并且該節點將會在找到合適的轉發節點之前移動數據包。

2.3 基于集群的路由關聯協議

該協議一般更適用于具有集群拓撲的網絡[4]。每個集群都有一個簇頭，用于集群內和集群間的通信，而其他節點只能直接與同一集群的節點通信。不同的網絡類型可以以不同的方式選擇簇頭。典型的路由CBR[5]算法在小型網絡中性能良好。但在城市車載網絡的某些區域，由于節點數量不足，算法的性能可能較差。

2.4 區域組播路由

該路由實際上是一種基于位置的組播路由，將消息轉發到區域內所有車輛節點。關鍵是特定地理區域的選擇或關聯區（Zone of Relevance，ZOR）的定義。典型路由包括IVG、AGR路由。這種協議的一個缺點是網絡劃分中存在有害的鄰居節點，這會阻礙消息的正確轉發。廣播路由是VANET中常用的一種路由方式，用于共享路況、天氣和突發事件等信息。廣播路由是以泛洪的形式傳遞消息，每個節點將接收到的消息轉發給其他節點。該方法可以保證目標快速、準確地接收信息，但會造成較大的負載。

3? 經典的VANET路由協議

VANET路由協議可分為基于拓撲的路由協議和基于位置的路由協議[6]。其中最常見的是動態源路由（DSR）、超移動寬帶（UMB）、優化鏈路狀態路由（OLSR）、網關路由協議（GRP）和按需被動路由（AODV）。

3.1 基于拓撲的路由協議

該協議利用鏈路信息在節點之間傳輸數據包。在這種機制下有兩種方式，主動方式依賴于與表驅動方法相關的路由技術，而被動方式依賴于與按需方法相關的路由技術。（1）主動路由協議通常取決于與最短路由有關的算法，它們與連接節點相關的所有數據保存在預定義的表中，數據也與其他節點共享。當網絡拓撲變化時，每個路由表均由其節點自動更新。優點：實時應用，時延相對較低，不需要有路徑發現。缺點：未使用的路由占用可用帶寬較多。（2）被動路由協議通常取決于與按需操作有關的算法，當兩個節點想要通信時，它們啟動路徑發現，可以減少網絡流量。優點：請求時需要進行泛洪，因此它不需要網絡中的主動溢出，可控制帶寬。缺點：網絡泛濫導致節點通信干擾，路徑搜索時延較高。

3.2 基于地理位置的路由協議

該協議依賴于與定位相關的算法，提供了用于路徑選擇的數據。網絡中每個節點周期性的將自己地理位置信息發送給周圍的節點，當需要傳輸數據時，路由協議根據這些信息采取一定的選擇策略進行下一跳節點的選取進行數據的轉發。這些協議不服務于任何與路由相關的表，以及與附近節點的加入狀態相關的數據或任何信息。優點：這類路由不需要對路由表進行建立和維持，高可擴展性，高性能。缺點：對傳輸節點要求較高，在節點分布不均且密度低的環境下，穩定性較差。

3.3 AODV

該協議取決于與按需方法相關的機制，在VANET節點將數據包傳輸到另一個節點時會啟動路徑，并使用目標序列號，可以用于單模和多模路由。AODV中的所有反應式協議，信息只在節點之間以按需模式傳輸。當一個節點想要在沒有預定義路由的情況下，將流量傳輸到主機節點時，它將創建（RREQ）路由請求消息，并以一種受限的方式泛洪到其他節點，圖2描述了AODV的工作方式。

AODV的工作模式具體如下。

當節點正在尋找到節點的路徑時，它會發送路由請求消息（RREQ）[7]。如果接收方是使用所需地址的節點，或者它具有到所需地址的功能路徑，則路由應答消息以單一模式傳輸到RREQ的源功能路徑（RERR）中，節點觀察到路由躍點鏈路的狀態（RREP）。為了報告技術激活，每個節點都會保留一個“前驅列表”，其中包括其鄰居的IP地址，可能將其用作每個目標節點中的下一跳。

優點：AODV可用于大型VANET網絡。路由冗余和過多的內存需求被最小化，距離序列號提供了到目的節點的最近路由。

缺點：由于會先發送信標，因此會占用額外的帶寬，當一條路徑上有許多路由回復數據包時，會產生高控制開銷。當中間節點中包含舊條目時，可能會出現路由不一致。

3.4 DSR

動態源路由協議（DSR）包括路由檢測和路由服務。DSR的工作原理見圖3。

（1）路由請求表是有關該節點最近轉發或發起的路由請求數據包的記錄集合，按照路由發現的目標歸屬地址進行分區。

（2）在虛擬VANET網絡中，每個節點都為各自保存的路由緩存表提供服務。路由緩存負責利用DSR路由協議存儲新加入節點與路由有關的所有請求信息[8]。

（3）節點的重傳緩沖區是該節點發送的預期發送報文的隊列，來自源路徑下一跳的確認到達。

（4）在緩沖區中注冊后的每個數據包都應該從發送緩沖區中刪除，并在發送緩沖區超時后將其刪除，該時間還與將其注冊到緩沖區中的時間相關聯。

優點：DSR不需要主動更新，與其他方法相比，VANET在以被動方式搜索路徑時會產生額外的過載且信標少。

缺點：損壞的數據無法在本地進行恢復，在高流量的VANET網絡中，報頭中的路徑數據會產生字節開銷，性能下降。

3.5 OLSR

OLSR[9]是使用主動模式的路由協議。鏈路狀態方案被該協議以增強的方式用來循環拓撲信息。OLSR也使用這種機制，但是為了保持帶寬，隨著協議在無線多跳的情況下工作，OLSR也會消息溢出。作為基于表的OLSR協議，OLSR操作由服務和更新一組表中的信息組成。這些表包括基于接收到的控制流量的數據，并且控制流量是基于從這些表返回的信息產生的。

OLSR使用以下基本控制消息類型。

（1）拓撲控制消息（TC）。

（2）HELLO控制消息（HELLO）。

（3）多接口聲明消息（MID）。

優點：廣播模式下，減少二次發送的概率。

缺點：在OLSR中，計算最佳路徑需要大量的帶寬和CPU功率。GRP路由一般用于兩種方法。第一種是在貪婪轉發中，使用3種VANET路由機制將數據發送到目的節點的最近鄰居。為了選擇鄰居節點而使用這些路由機制。第二種方法是周邊路由，發送者節點確定接收者節點的估計位置，消息被發送到接收者節點的最近鄰居。定位方案負責收集消息，例如GPS。

4? 結語

該文對現有的VANET路由協議進行了總結、分類和比較，并分析其特性和優缺點。在VANET背景下的多用途及全面的現實生活場景，盡管已經進行了大量的研究，但缺乏對不同方案的深入性能評估。當前可用的少數研究不僅范圍有限，而且還僅限于特定的場景。隨著VANET技術的發展，如何利用先進的工具找到更有效、更安全的路由協議，未來所面臨的挑戰仍然艱巨。解決方案應考慮最少的跳數和最穩定的方式。路由協議是VANET最重要的部分，決定了智慧城市的發展方向，但目前仍面臨安全方面的挑戰，在這一領域，還有很長的路要走。也許我們可以基于先前的路由協議建立機器學習模型，為VANET建立更穩定的傳輸路徑包及以后的路由提供基礎和參考。

參考文獻

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[2] Murugan S，Jeyalaksshmi S， Mahalakshmi B， et al.Comparison of ACO and PSO Algorithm Using Energy Consumption and Load Balancing in Emerging MANET and VANET Infrastructure[J].Journal of Critical Reviews，2020，7（9）：1197-1204.

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[7] Kumar A，Sinha m. Design and Analysis of an Improved AODV Protocol for Black Hole and Flooding Attack in Vehicular Ad-hoc Network （VANET）[J].Journal of Discrete Mathematical Sciences and Cryptography，2019，22（4）：453-463.

[8] Shibu K R， Pramila R S.Load Based Key Generation for MANETs：A Comparative Study with DSR and AODV[J].Wireless Personal Communications，2020，116（3）：1703-1712.

[9] 龔凱.基于粒子群算法的車載Ad hoc網絡路由協議優化[D].南京郵電大學，2018.