基于超級節(jié)點的數(shù)據(jù)密集型網(wǎng)格在車輛實時導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

李科

摘要：有效的數(shù)據(jù)管理要求低成本存儲和高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，因此提出了數(shù)據(jù)密集型網(wǎng)格應(yīng)用到導(dǎo)航系統(tǒng)中，對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)格訪問模型做了改進，從而減少車輛節(jié)點查詢的響應(yīng)時間，保障了大量分散來源的數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)男阅埽摲椒ň哂兄匾睦碚摵蛯嵺`意義。

關(guān)鍵詞：超級結(jié)點；車聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)格

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）09-0054-02

Abstract： Effective data management requires low-cost storage and high-speed data transfer， data-intensive grid is proposed in the navigation system. Traditional data grid access model is made improvements. Thereby the response time of the vehicle node query is reduced. The performance of data storage and transmission of large number dispersed sources is guaranteed. It has important theoretical and practical significance.

Key words： super node ； vehicle network； grid

1 車聯(lián)網(wǎng)的概念

車聯(lián)網(wǎng)是指通過先進的電子標(biāo)識、傳感器、無限移動通信、衛(wèi)星定位、海量數(shù)據(jù)處理、智能控制等現(xiàn)代信息通信與處理技術(shù)，對人、車輛和道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的屬性、靜態(tài)/動態(tài)信息進行有效識別和智能化管理并提供服務(wù)的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1-2]。同時，車聯(lián)網(wǎng)可以理解為車載自組織網(wǎng)絡(luò)（vehicular ad-hoc network ，VANET），是一種快速移動的寬帶多跳無線網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)移動過程車輛之間（vehicle to vehicle，V2V）通信，車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間（vehicle to infrastructure ，V2I）通信，同時為車輛提供多種安全應(yīng)用和非安全應(yīng)用。

2 基于超級節(jié)點的數(shù)據(jù)密集型網(wǎng)格的應(yīng)用

使用計算機網(wǎng)絡(luò)中閑置資源創(chuàng)建一個“網(wǎng)格”的概念稱為CPU抽取。實際上，蓄念網(wǎng)格建立在大量臺式計算機上，使用了他們空閑周期或不活躍時期，這些客戶端主機除了提供CPU周期，還提供了一些磁盤空間、網(wǎng)絡(luò)帶寬[3，4]。車聯(lián)網(wǎng)中主要應(yīng)用網(wǎng)格節(jié)點提供的高效存儲和高帶寬。

傳統(tǒng)的網(wǎng)格和云資源聚集的過程中，計算節(jié)點和網(wǎng)格的其他必要資源并不隨意加入或離開這個系統(tǒng)，除非網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生了一些嚴(yán)重錯誤；云資源主要由遍布全國各地的固定網(wǎng)格節(jié)點提供，構(gòu)成虛擬的超級數(shù)據(jù)中心。但P2P系統(tǒng)中的資源分配時隨意的，我們可以構(gòu)建P2P網(wǎng)格，用于分布式文件共享、內(nèi)容傳遞，為流動的車輛節(jié)點提供高效的信息查詢支持，高響應(yīng)速度和百萬數(shù)據(jù)高速同步傳輸技術(shù)可以極大降低響應(yīng)時間。而車輛節(jié)點的加入或離開P2P網(wǎng)格系統(tǒng)功能沒用太大影響。

網(wǎng)格的應(yīng)用通常分為兩大類：計算密集型和數(shù)據(jù)密集型。由于車聯(lián)網(wǎng)體系中每個車輛節(jié)點需要實時的向網(wǎng)格虛擬中心系統(tǒng)發(fā)送大量信息，包括GPS位置和速度信息以及胎壓、碰撞檢測等車況信息，這些信息需要網(wǎng)格實時處理并提供無延時查詢服務(wù)。因此，數(shù)據(jù)密集型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)更適合車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中，我們可能需要處理大量的數(shù)據(jù)。網(wǎng)格系統(tǒng)必須經(jīng)過特別設(shè)計，才能傳輸和操作如此龐大的數(shù)據(jù)集。大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸是個耗時的工作，而車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中如果響應(yīng)時間過長，在實時導(dǎo)航或自動駕駛應(yīng)用中就失去了意義。有效的數(shù)據(jù)管理要求低成本存儲與高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和訪問。常用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和訪問的方法有：

（1）數(shù)據(jù)復(fù)制和統(tǒng)一命名空間

這種數(shù)據(jù)訪問方法也被稱為緩存，常用于提高網(wǎng)格環(huán)境中數(shù)據(jù)效率。通過復(fù)制相同的數(shù)據(jù)塊和發(fā)布他們至網(wǎng)格的多個區(qū)域，用戶可以根據(jù)引用的局部性訪問相同的數(shù)據(jù)。此外，相同數(shù)據(jù)集的副本可以相互作為備份。一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)不會在失效時丟失[5]。然而，數(shù)據(jù)副本需要定期檢查一致性，存儲需求和網(wǎng)絡(luò)帶寬產(chǎn)生額外的開銷。

（2）網(wǎng)格數(shù)據(jù)訪問模型

多位參與者可能想要共享相同的數(shù)據(jù)集合。為了獲得任意數(shù)據(jù)塊，我們需要網(wǎng)格具有單一的全局命名空間。同樣，我們需要擁有唯一文件名。為了實現(xiàn)這兩點，必須解決具有相同命名的多個數(shù)據(jù)對象之間的不一致性問題。由此可以引入訪問限制，以避免混亂。同時，數(shù)據(jù)需要采取保護措施，以避免泄露與損壞。試圖訪問數(shù)據(jù)的用戶必須先經(jīng)過認(rèn)證，然后被授權(quán)訪問。下面列出了組成數(shù)據(jù)網(wǎng)格的4種訪問模型。

1）單元模型

這是一個集中式數(shù)據(jù)倉庫模型，如圖1所示。所有數(shù)據(jù)保存在一個虛擬的中心數(shù)據(jù)倉庫中。當(dāng)用戶想訪問一些數(shù)據(jù)時，他們必須向中心倉庫提交請求。沒有用于保護數(shù)據(jù)局部性的數(shù)據(jù)副本。該模型實現(xiàn)小型數(shù)據(jù)網(wǎng)格式最簡單的。對于一個大型網(wǎng)格，在性能與可靠性方面，該模型是沒有效率的。在該模型中，只在容錯式才需要數(shù)據(jù)副本。

2）層次模型

層次模型如圖2所示，適用于構(gòu)建只有一個數(shù)據(jù)訪問目錄的大型數(shù)據(jù)網(wǎng)格。數(shù)據(jù)可以從來源被轉(zhuǎn)移到二級區(qū)域中心。然后區(qū)域中心的一些數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)移到三級中心。經(jīng)過幾次轉(zhuǎn)發(fā)，特定數(shù)據(jù)對象可被用戶直接訪問。一般來說，數(shù)據(jù)中心級別越高，其覆蓋越廣。它比低級數(shù)據(jù)中心具有更高的訪問帶寬。在層次數(shù)據(jù)訪問模型中，PKI安全服務(wù)更容易實現(xiàn)。歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格（EDG）采用了這種數(shù)據(jù)訪問模型。

3）聯(lián)合模型

如圖3所示，聯(lián)合模型的數(shù)據(jù)訪問模式較適用于設(shè)計有多個數(shù)據(jù)提供來源的數(shù)據(jù)網(wǎng)格。這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格有時也被稱為網(wǎng)狀模型。數(shù)據(jù)來源分布在多個不同的地點。盡管數(shù)據(jù)是共享的，其數(shù)據(jù)項仍有原來的主人擁有和控制。根據(jù)預(yù)定義訪問策略，只有被授權(quán)的用戶可以向任意數(shù)據(jù)來源請求數(shù)據(jù)。然而在網(wǎng)格機構(gòu)的數(shù)量變得很多時，網(wǎng)狀模型的花費可能是最多的。

4）混合模型

該數(shù)據(jù)模型如圖4所示?；旌夏Ｐ徒Y(jié)合了層次模型與網(wǎng)狀模型的最優(yōu)特征。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，如FTP，為網(wǎng)絡(luò)提供較低的帶寬。數(shù)據(jù)網(wǎng)格中的網(wǎng)絡(luò)連接通常具有相當(dāng)高的帶寬，并且其他數(shù)據(jù)傳輸模型是利用高速數(shù)據(jù)傳輸工具（如使用Globus庫開發(fā)的（GridFTP）開發(fā)的?；旌夏Ｐ偷某杀窘橛趯哟魏途W(wǎng)狀這兩種極端模型之間。

綜上所述，在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)來源是分散的，并且每個數(shù)據(jù)節(jié)點對數(shù)據(jù)的請求也具有很強的區(qū)域型。因此，綜合考慮性能和成本因素，混合模型的數(shù)據(jù)處理和傳輸模式優(yōu)勢非常明顯。針對車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的特點，對傳統(tǒng)的混合模型做了一些改進。

第一，網(wǎng)格中部分節(jié)點建立在路燈、高速監(jiān)控等相對固定的設(shè)施上，可以提供可靠的服務(wù)，能源也可以得到可靠的供給。這些節(jié)點可設(shè)計為超級節(jié)點。提供較為強大的CPU、磁盤和互聯(lián)網(wǎng)的高帶寬接入。超級節(jié)點相互之間采用網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型，以保障對大量分散來源的數(shù)據(jù)存儲和傳輸性能，減少車輛節(jié)點查詢的響應(yīng)時間。

第二，車輛節(jié)點向鄰近的超級節(jié)點周期性發(fā)送GPS位置、行駛速度等車輛信息，并提供空閑的CPU時間，與超級節(jié)點形成層次結(jié)構(gòu)。遍布各地點的超級節(jié)點之間數(shù)據(jù)是可以高度共享的，當(dāng)有車輛請求某區(qū)域或線路上路況實時信息的時候，可以很快速的得到響應(yīng)。而路線的規(guī)劃則有車輛導(dǎo)航系統(tǒng)完成，在原有GPS導(dǎo)航地圖軟件中加入實時路況處理模塊，數(shù)據(jù)網(wǎng)格只需提供路況信息的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸和處理模式如圖5所示。

3 結(jié)束語

車聯(lián)網(wǎng)中有效的數(shù)據(jù)管理要求低成本存儲和高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，因此提出了數(shù)據(jù)密集型網(wǎng)格應(yīng)用到導(dǎo)航系統(tǒng)中，對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)格訪問模型做了改進，從而減少車輛節(jié)點查詢的響應(yīng)時間，保障了大量分散來源的數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)男阅?，該方法具有重要的理論和實踐意義。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，車輛網(wǎng)的發(fā)展將給人們的生活帶來巨大的變化。車聯(lián)網(wǎng)中許多通信技術(shù)和資源調(diào)度等很多問題，還需要更近一步的研究。

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