基于RSU協(xié)作的V-NDN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法研究

侯睿，周爍，余俊樂，張嫣

(中南民族大學(xué) 計算機科學(xué)學(xué)院，武漢 430074)

近年來，車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular ad-hoc Networks,VANET)作為智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transport System,ITS)的重要組成部分，其現(xiàn)有的架構(gòu)，通信技術(shù)，路由方式，服務(wù)質(zhì)量等方面已經(jīng)被眾多學(xué)者進行了廣泛研究[1].VANET通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將車載單元(On Board Unit,OBU)和基礎(chǔ)設(shè)施進行連接，從而提供車輛與車輛(Vehicle-to-Vehicle,V2V)、車輛與RSU(Vehicle-to-RSU,V2R)及RSU與RSV(RSU-to-RSU,R2R)等通信模式[2].由于VANET具有高移動性、高動態(tài)拓?fù)浜蜁r斷時續(xù)的連通性，使得傳統(tǒng)的以IP地址為中心的傳輸模式已經(jīng)無法有效地在這樣一個高度動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)穩(wěn)定、高效、快速的數(shù)據(jù)訪問，以數(shù)據(jù)內(nèi)容本身為中心的新一代網(wǎng)絡(luò)體系——信息中心網(wǎng)絡(luò)(Information Centric Networking,ICN)便應(yīng)運而生.而命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(Named Data Networking,NDN)作為ICN中最有前途的解決方案之一，其在網(wǎng)內(nèi)緩存、耦合路由等方面的優(yōu)勢可以潛在地提高VANET內(nèi)容檢索和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的可伸縮性和效率[3]，因此將NDN應(yīng)用于VANET之中(V-NDN)成為國內(nèi)外的研究熱點.

在V-NDN中，內(nèi)容消費者(Consumer)為請求數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請求包(interest packet)，由網(wǎng)絡(luò)中的路由器根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容名稱檢索到存儲著對應(yīng)數(shù)據(jù)的內(nèi)容發(fā)布者(Producer)，Producer將此數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包(data packet)，data包會沿著interest包的路由轉(zhuǎn)發(fā)路徑反向“原路返回”至Consumer[4].但由于Consumer和Producer的移動性會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)過程中丟失，從而影響用戶的體驗質(zhì)量(Quality of Experience,QoE)和服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)[5].

近年來，為了應(yīng)對在V-NDN中頻繁的連接中斷和網(wǎng)絡(luò)變化帶來的挑戰(zhàn)，文獻[6]提出了一種基于樹結(jié)構(gòu)的interest包轉(zhuǎn)發(fā)方法，該方法利用樹的結(jié)構(gòu)合并不同車輛的導(dǎo)航路線重疊而產(chǎn)生的相同interest包，從而避免不必要的interest包重發(fā).文獻[7]提出了一種關(guān)鍵數(shù)據(jù)的分發(fā)算法，該方法利用鄰居車輛有效地傳播關(guān)鍵數(shù)據(jù)，使Consumer能夠快速獲取緊急數(shù)據(jù).上述兩種方法均只適用于道路交通等特定信息的路由轉(zhuǎn)發(fā)，并不適用于所有類型的數(shù)據(jù)信息.文獻[8]提出一種基于地理位置的轉(zhuǎn)發(fā)策略，通過鄰居節(jié)點間交換的位置等信息選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點.由于車輛的高移動性，鄰居節(jié)點每次位置移動都要進行節(jié)點信息更新，由此可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)者選擇開銷增大而影響路由.同時文獻[9]提出的基于位置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法使用Dijkstra算法計算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的最短路徑，并根據(jù)自適應(yīng)發(fā)現(xiàn)和選擇機制實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下的數(shù)據(jù)交互.但該方法的計算復(fù)雜度高，并依賴于車輛的密度.文獻[10]提出了一個增量路由更新機制，當(dāng)車輛進入新路段時，通過自動交互地修改數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表的記錄來進行路由轉(zhuǎn)發(fā)，但車輛需要提前設(shè)置行駛路線，且后期不會在未經(jīng)允許的情況下更改導(dǎo)航路線，此方法無法滿足車輛在道路上隨機移動形式的情況.

為避免以上方法出現(xiàn)的問題，本文提出一種適用于V-NDN中的基于RSU協(xié)助的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法，首先RSUs將被劃分為不同的區(qū)域，由特定的控制路由器(Control Router,CR)進行管理，并利用RSU協(xié)助將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至移動節(jié)點，從而減少路由消耗，增加數(shù)據(jù)包的交付率.

1 系統(tǒng)模型和應(yīng)用場景

1.1 NDN的路由方式

NDN中節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由三部分組成：內(nèi)容緩存(Content Store,CS)，待定轉(zhuǎn)發(fā)表(Pending Interest
Table,PIT)，轉(zhuǎn)發(fā)興趣表(Forwarding Information Base,FIB).其中CS是存儲節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過的data包的數(shù)據(jù)內(nèi)容，以應(yīng)對未來潛在的數(shù)據(jù)請求；PIT是記錄節(jié)點已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)過的interest包，但還未被滿足的數(shù)據(jù)請求接口信息；FIB是存儲關(guān)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口的信息，以便根據(jù)路由表和內(nèi)容名稱路由interest包.NDN中節(jié)點處理數(shù)據(jù)包的過程如圖1所示.當(dāng)節(jié)點為請求數(shù)據(jù)發(fā)送interest包給下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點首先查詢CS，若CS中有對應(yīng)數(shù)據(jù)，則將此數(shù)據(jù)封裝成data包，并從接收到該interest包的接口返回data包，否則繼續(xù)查找PIT.若PIT中發(fā)現(xiàn)匹配項，此時需要將interest包進來的接口添加到PIT對應(yīng)項的接口列表.當(dāng)有相應(yīng)的data包返回時，按照PIT里記錄的接口列表分別給每個節(jié)點回復(fù)一個data包，并將該data包的數(shù)據(jù)內(nèi)容存儲到CS中，以服務(wù)后續(xù)其他節(jié)點的需求.若查找CS和PIT都沒有得到匹配項，則需要繼續(xù)查找FIB.若FIB中有對應(yīng)項，根據(jù)FIB中對應(yīng)內(nèi)容名稱的接口列表向其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該interest包[11].若上述三個部件中都沒有相應(yīng)的匹配結(jié)果，表明該節(jié)點無法處理此interest包，此時interest包將被丟棄.通過以上過程，NDN節(jié)點可以正確路由轉(zhuǎn)發(fā)interest包，并分發(fā)相應(yīng)的data包.

圖1 節(jié)點處理數(shù)據(jù)包的過程Fig.1 The process of node processing data packet

1.2 節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的修改

為了有效解決由于節(jié)點移動導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓ㄐ沛溌窋嗔训葐栴}，本文對V-NDN中RSU節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)FIB和PIT進行了修改，如表1所示.FIB表中包含數(shù)據(jù)名稱前綴、轉(zhuǎn)發(fā)接口、移動狀態(tài)三項；PIT表中包含名稱前綴、傳入接口、移動狀態(tài)三項。其中FIB表中“名稱前綴”表示數(shù)據(jù)內(nèi)容的名稱聚合后的路由前綴，“接口號”表示經(jīng)由哪些接口轉(zhuǎn)發(fā)，以獲得與名稱對應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容；“移動狀態(tài)”項有三種形式：00，01，11；當(dāng)移動狀態(tài)項為00時，表示接口對應(yīng)的節(jié)點處于當(dāng)前RSU的通信范圍內(nèi)；移動狀態(tài)項為01時，表示接口對應(yīng)的節(jié)點處于當(dāng)前RSU所屬的CR通信范圍；移動狀態(tài)項為11時，表示接口對應(yīng)的移動節(jié)點已經(jīng)離開了當(dāng)前RSU所屬的CR通信范圍；PIT表中的“傳入接口”記錄請求相同內(nèi)容的interest包的接收端口.

表1 FIB 和 PIT的組成結(jié)構(gòu)Tab.1 The structure of FIB and PIT

(b) PIT結(jié)構(gòu)

1.3 包格式設(shè)計

NDN中存在兩種類型的包：interest包和data包.為了滿足必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)需求，本文添加了移動狀態(tài)包(Move_State包)和切換興趣包(Handover_Interest包)，如圖2所示.

圖2 Move_State包和Handover_Interest包格式Fig.2 The structure of Move_State packet and Handover_Interest packet

其中Move_State包是表示當(dāng)前移動車輛節(jié)點的移動狀態(tài)，移動車輛節(jié)點離開當(dāng)前所連接的RSU通信范圍前發(fā)送Move_State包給RSU，告知其節(jié)點移動狀態(tài)等信息；Handover_Interest包是用來通知移動車輛節(jié)點已經(jīng)離開了當(dāng)前控制路由器的通信范圍，僅當(dāng)移動車輛節(jié)點連接到新的CR范圍內(nèi)的RSU時被發(fā)送.

2 RSU協(xié)作的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

為了有效地進行移動車輛間的數(shù)據(jù)傳輸,本文在路邊有序放置一些基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點RSUs ,通過RSUs 輔助完成車輛間的通信，相對于無基礎(chǔ)設(shè)施支持的移動車輛通信方式,此方法更加容易實現(xiàn)且能獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸性能.本文首先將道路上分布的RSUs進行區(qū)域劃分，每個區(qū)域設(shè)置一個CR進行管理，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率.如圖3所示，單一區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸為域內(nèi)傳輸，多個區(qū)域間的數(shù)據(jù)傳輸為域間傳輸.

圖3 車輛與網(wǎng)絡(luò)間的切換Fig.3 Handover between vehicle and network

2.1 Interest包轉(zhuǎn)發(fā)過程

如圖4所示，Consumer為請求數(shù)據(jù)向當(dāng)前所在的RSU發(fā)送interest包，interest包需要被逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至存儲有相應(yīng)數(shù)據(jù)的Producer.當(dāng)interest包被轉(zhuǎn)發(fā)到 Producer初始所在的RSU(c_RSU)時，若Producer仍然處于c_RSU的傳輸范圍內(nèi)，則interest包可以被成功轉(zhuǎn)發(fā)，interest包轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖4中path_1所示.若Producer檢測到其通信的c_RSU信號強度低于檢測到新RSU信號強度時，表明Producer即將離開當(dāng)前c_RSU通信范圍，此時其向c_RSU發(fā)送一個Move_State包.c_RSU接收到此包后，根據(jù)Producer對應(yīng)的接口號更新相應(yīng)的FIB條目中的移動狀態(tài)，即將移動狀態(tài)標(biāo)志從00改為01或11，其中當(dāng)前RSU為移動方向上的邊緣RSU，則移動狀態(tài)標(biāo)志修改為11，否則修改為01，并根據(jù)節(jié)點的移動方向獲取將要連接的下一跳RSU(n_RSU)，更新FIB表中的轉(zhuǎn)發(fā)接口為n_RSU.

圖4 interest包轉(zhuǎn)發(fā)過程Fig.4 Interest packet forwarding process

(1)若c_RSU和n_RSU同屬于一個CR區(qū)域，當(dāng)前需要執(zhí)行域內(nèi)通信.例如，Producer從RSU1_2移動到了RSU1_1的通信范圍，此時需要更新RSU1_2的FIB中Producer對應(yīng)的接口號，即將此接口號改為RSU1_1的轉(zhuǎn)發(fā)接口.當(dāng)interest包轉(zhuǎn)發(fā)至Producer原先所在的RSU1_2時檢測到Producer的移動狀態(tài)位為01，則根據(jù)FIB表將interest包轉(zhuǎn)發(fā)給RSU1_1，并由RSU1_1將其轉(zhuǎn)發(fā)給Producer，具體interest包轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖4中path_2所示.

(2)若c_RSU和n_RSU不屬于同一CR區(qū)域，則此時要執(zhí)行域間通信.此時以CR1范圍內(nèi)的RSU1_2和CR2范圍內(nèi)的RSU2_1為例，即，Producer斷開與RSU1_2的連接，當(dāng)interest返回RSU1_2時，Producer移動至RSU2_1通信范圍內(nèi).當(dāng)RSU1_2根據(jù)FIB中的對應(yīng)接口信息查詢到Producer的下一跳RSU2_1與其不屬于同一CR區(qū)域范圍內(nèi)，此時RSU1_2接收到interest包后將其轉(zhuǎn)發(fā)給CR1，CR1重新接收采用等待-存儲-不轉(zhuǎn)發(fā)的模式.當(dāng)Producer斷開當(dāng)前RSU1_2的通信，并連接到新的RSU2_1時，立刻向其發(fā)送一個Handover_Interest包，RSU2_1根據(jù)接收到的信息，立刻在其FIB中添加一個有關(guān)Producer的新條目，以便后續(xù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并根據(jù)包中的相關(guān)信息將Handover_Interest包轉(zhuǎn)發(fā)給CR1，具體轉(zhuǎn)發(fā)路徑如圖4中path_3所示.此時，CR1將沿著Handover_Interest包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑反向傳輸 interest包，直至interest包被轉(zhuǎn)發(fā)給Producer，具體interest包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑如圖4中path_4所示.最后，RSUs將會進行自動路由更新，刪除RSU1_2和CR1中有關(guān)interest包的轉(zhuǎn)發(fā)接口信息，以便在后續(xù)接收到相關(guān)請求時，能夠快速滿足請求.

若RSU的FIB中某個條目對應(yīng)的移動狀態(tài)標(biāo)記為01或者11，且此狀態(tài)持續(xù)T時間后仍未接收到interest包，則默認(rèn)Producer已經(jīng)離開了當(dāng)前RSU的通信范圍，且無法在通過簡單的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)找到Producer，此時RSU在收到interest包會將其丟棄，并刪除interest包的相關(guān)條目，減少路由等待時間，從而提高路由效率.

2.2 Data包回傳過程

當(dāng)Producer成功接收到interest包后，會將其緩存的數(shù)據(jù)封裝成data包進行回傳，data包會沿著interest包的反向轉(zhuǎn)發(fā)路由路徑返回至Consumer發(fā)送interest包時所連接的RSU(c_RSU).若此時Consumer仍處于c_RSU網(wǎng)絡(luò)的通信范圍內(nèi)，則c_RSU會直接將data包交付給Consumer，具體data包轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖5中path_1所示；若此時由于Consumer的移動性導(dǎo)致其離開了當(dāng)前c_RSU網(wǎng)絡(luò)的通信范圍.Consumer在檢測到即將駛離當(dāng)前c_RSU的通信范圍時還未收到data包，此時向c_RSU發(fā)送一個Move_State包以更新當(dāng)前c_RSU的PIT中的條目，將更新PIT中接口信息和移動狀態(tài)標(biāo)志.當(dāng)data包回傳至c_RSU時，此時需要檢測下一跳n_RSU與c_RSU是否處于同一CR的區(qū)域范圍.以上兩種情況的路由過程與interest包轉(zhuǎn)發(fā)過程類似.

圖5 Data包轉(zhuǎn)發(fā)過程Fig.5 Data packet forwarding process

(1)若c_RSU與n_RSU屬于同一CR區(qū)域范圍內(nèi)，如圖5所示，假設(shè)Consumer在RSU1_2通信范圍內(nèi)發(fā)送interest包請求數(shù)據(jù)，若data包回傳至RSU1_2時，Consumer斷開與RSU1_2的連接，與CR1范圍內(nèi)的RSU1_1連接，data包的回傳路徑如圖5中path_2所示.

(2)若c_RSU與n_RSU不屬于一個CR區(qū)域范圍內(nèi)，若Consumer離開CR1范圍內(nèi)的RSU1_2的通信范圍，并連接CR2范圍內(nèi)的RSU2_1，data包的回傳路徑如圖5中path_3所示.

本方法在一定程度上避免過度依賴位置進行通信，不用確切的知道車輛節(jié)點移動的信息，只需確定當(dāng)前車輛節(jié)點可能會移動到哪一個RSU的通信范圍內(nèi)，由此進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而減少搜索目標(biāo)車輛所造成的路由消耗.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗參數(shù)

在仿真實驗中，本文為基于RSU協(xié)助的數(shù)據(jù)傳輸方法(RSU-assisted)，并設(shè)置相鄰4個RSUs為一個區(qū)域，在初始狀態(tài)每個車輛節(jié)點被隨機放置于道路，設(shè)置每個車輛節(jié)點為隨機移動，實驗參數(shù)如表2所示.為驗證方法是否能夠?qū)崿F(xiàn)車輛節(jié)點在高速動態(tài)環(huán)境下快速、高效的數(shù)據(jù)收發(fā)，本文選擇 V-NDN和NDN中基于位置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由方法(RNDN)作為對比對象.

表2 實驗參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

3.2 仿真結(jié)果與分析

本文主要從數(shù)據(jù)收發(fā)消耗的平均傳輸時延和數(shù)據(jù)包成功交付率兩方面進行實驗分析.其中，平均時延可以反映數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，平均時延越小，表示數(shù)據(jù)收發(fā)所消耗的時間越短，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量越好；數(shù)據(jù)包成功交付率可以反映數(shù)據(jù)通信鏈路的穩(wěn)定情況，數(shù)據(jù)包交付率越高，表示路由協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性越好.

(1)平均時延.

平均時延：Consumer完成數(shù)據(jù)收發(fā)的時間與Consumer發(fā)送interest包的數(shù)量的比值；

其中，圖6和圖7顯示了Consumer的數(shù)量變化和車輛節(jié)點的速度變化對平均傳輸時延的影響.如圖6所示，在不同Consumer數(shù)量的影響下，V-NDN，RNDN，RSU-assisted三者所需的平均時延的比較.隨著Consumer數(shù)量的不斷增大，V-NDN和RSU-assisted需要消耗的平均時延處于平穩(wěn)狀態(tài)，而RNDN消耗的平均時延逐漸遞減，但變化較小.如圖7所示，當(dāng)節(jié)點速度不斷增大時，V-NDN，RNDN，RSU-assisted三者消耗的平均時延均會不斷增加，其中節(jié)點速度的變化對RSU-assisted的影響相對較小.總的來說，分別在Consumer數(shù)量變化和節(jié)點速度變化下，RSU-assisted消耗的平均時延明顯低于其他兩種路由方法.

圖6 平均時延隨Consumer數(shù)量的變化情況Fig.6 Average delay varies with the number of Consumers

圖7 平均時延隨車輛速度變化的曲線Fig.7 The curve of average delay with vehicle speed

(2)data包成功交付率.

data包交付率：Consumer實際接收到的data包的數(shù)量與Consumer發(fā)送interest包的數(shù)量的比值.

圖8和圖9顯示了Consumer的數(shù)量變化和車輛節(jié)點的速度變化對數(shù)據(jù)包成功交付率的影響.如圖8所示，隨著Consumer數(shù)量的逐漸增多，V-NDN，RNDN，RSU-assisted三者產(chǎn)生的交付率無明顯變化，其中V-NDN，RNDN呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，這說明RSU-assisted的交付率基本不受Consumer的數(shù)量變化的影響.如圖9所示，隨著車輛節(jié)點速度的不斷增大，V-NDN，RNDN，RSU-assisted三者的數(shù)據(jù)包交付率明顯呈下降趨勢，其中V-NDN受到的影響最大.由于本文提出的RSU-assisted方法綜合考慮了數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定性，減少了數(shù)據(jù)包的重發(fā)，因此RSU-assisted在平均傳輸時延和數(shù)據(jù)成功交付率方面均有一定的優(yōu)勢.

圖8 交付率隨Consumer數(shù)量的變化情況Fig.8 Delivery rate varies with the number of consumers

圖9 交付率隨車輛速度變化的曲線Fig.9 The curve of delivery rate with vehicle speed

4 結(jié)語

本文針對在V-NDN中車輛的高移動性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速變化導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)頻繁中斷，使得數(shù)據(jù)包在傳輸過程中丟失，從而降低通信效率這一問題，提出了一種基于RSU協(xié)助的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法，該方法首先將RSUs進行區(qū)域劃分，然后利用RSU協(xié)助數(shù)據(jù)傳輸.仿真結(jié)果表明本文的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法能夠有效地降低數(shù)據(jù)傳輸時延、提高數(shù)據(jù)包的成功交付率.此外，本文僅研究了V2R的通信，即通過RSU協(xié)助數(shù)據(jù)包在多個移動節(jié)點間傳輸，在后續(xù)的研究中V2V的數(shù)據(jù)傳輸也是需要考慮的重點.