融合多路徑傳輸技術的移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸機制研究

盧 偉，李沁穎

（江西科技學院信息工程學院，江西南昌 330098）

0 引言

隨著移動車聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展和無線通信技術（如Bluetooth、5G、WiFi 等）的大規(guī)模應用，越來越多的車載節(jié)點開始配備多個不同標準的網(wǎng)絡接口，實現(xiàn)多網(wǎng)絡同時接入，為車載應用提供了更加高質便捷的數(shù)據(jù)傳輸體驗，以滿足車載應用娛樂通訊需求，同時也給網(wǎng)絡傳輸服務帶來了新的挑戰(zhàn)。移動車聯(lián)網(wǎng)在高速運行的車載節(jié)點中，由于網(wǎng)絡拓撲高度變化和無線鏈路帶寬限制，受限于傳統(tǒng)“固化”和“靜態(tài)”的數(shù)據(jù)傳輸機制，鏈路中斷和數(shù)據(jù)包丟失時常發(fā)生，降低了車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通信質量［1］。因此，如何有機地融合車聯(lián)網(wǎng)多種無線接入技術，合理地利用異構無線網(wǎng)絡資源，有效地提高終端數(shù)據(jù)的傳輸服務質量是未來移動車聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的必然趨勢［2］。國際互聯(lián)網(wǎng)任務工程組（Internet Engineering Task Force，IETF）于2013 年發(fā)布了多路徑傳輸控制協(xié)議標準（MultiPath TCP，MPTCP）［3］，其目的是允許傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）連接使用多個路徑，實現(xiàn)最大化信道資源使用。該方案逐漸得到了蘋果、三星、華為等企業(yè)的廣泛認可及采用，因此愈發(fā)成熟的MPTCP 憑借其傳輸優(yōu)勢成為當下研究熱點。本文在MPTCP 的傳輸特點啟發(fā)下，探究了一種融合多路徑并行傳輸?shù)囊苿榆嚶?lián)網(wǎng)多路徑傳輸機制，為現(xiàn)有移動車聯(lián)網(wǎng)適應未來傳輸服務需求的演進提供優(yōu)化思路［4］。

1 移動車聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀

為了大力發(fā)展汽車智慧產(chǎn)業(yè)，我國政府先后印發(fā)了《推進“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通促進智能交通發(fā)展的實施方案》［5］《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》［6］等一系列智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展規(guī)劃。可見，智能網(wǎng)聯(lián)汽車成為關聯(lián)眾多重點領域協(xié)同創(chuàng)新、構建新型交通運輸體系的重要載體，而移動車聯(lián)網(wǎng)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車終端通信的紐帶，滿足了智慧出行的基本要求。但是，車載終端如何在高速行駛過程中合理有效地利用移動車聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡資源，提高移動車聯(lián)網(wǎng)在移動場景下的傳輸服務質量，依然是當前國內外學術界研究的重點［7-10］。

在“智慧出行”理念引導下，車載設備逐漸配備了多個網(wǎng)絡接口，以滿足其安全駕駛、自動輔助駕駛以及車載娛樂等多樣化的用戶需求。但是，移動車聯(lián)網(wǎng)本身是由一組移動或固定的無線節(jié)點組成，節(jié)點具有高速運動無規(guī)律且鏈路不穩(wěn)定等特點，使得現(xiàn)有的車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸機制效率低下。并且，現(xiàn)有傳統(tǒng)通信機制缺乏對設備多網(wǎng)絡接口特性的考慮，忽略了車載節(jié)點可優(yōu)化傳輸服務的潛質。針對上述問題，國內外學者對車聯(lián)網(wǎng)通訊進行了廣泛討論［11-14］，劉委等［15］設計一套基于物聯(lián)網(wǎng)的運輸信息服務系統(tǒng)，該系統(tǒng)架構優(yōu)化需在底層重構以實現(xiàn)平臺兼容性；龍銀江等［16］提出一種基于網(wǎng)絡切片的車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合資源分配算法，該方案針對V2I 下行鏈路不同文件傳輸?shù)牟町惢召|量需求，以優(yōu)化系統(tǒng)車輛下載文件平均時延為目標，在一定程度上滿足了車載應用傳輸服務差異化傳輸需求，但是該方案仍未實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸，未能充分發(fā)揮車載節(jié)點的傳輸特性。因此，如何通過移動車聯(lián)網(wǎng)保障車載節(jié)點高質高效且穩(wěn)定地并行通信是未來車聯(lián)網(wǎng)中的關鍵問題。

2 多路徑傳輸技術

MPTCP 協(xié)議是傳輸控制協(xié)議的擴展，其主要思想是借助多宿主終端多網(wǎng)絡接口能力，使終端設備能夠同時接入多個網(wǎng)絡并行傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多條鏈路的帶寬資源擬合，從而提高應用數(shù)據(jù)傳輸速率，并且最大化網(wǎng)絡資源利用率。同時，MPTCP 借助標準的TCP 接口隱藏多路徑接口，實現(xiàn)對應用層的向上兼容，即應用程序不需作任何更改即可使用MPTCP 實現(xiàn)多路徑并行傳輸［17］。

MPTCP 技術旨在研究如何利用多宿終端之間多條鏈路進行數(shù)據(jù)并行傳輸，實現(xiàn)鏈路帶寬擬合、網(wǎng)絡負載均衡以及路徑動態(tài)切換，有效提升網(wǎng)絡傳輸性能［18-19］。因此，在并發(fā)多路徑傳輸機制支持下，MPTCP 為高速移動的車載節(jié)點在移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸服務中的性能改進、帶寬聚合和容錯等應用場景優(yōu)化提供了可能。例如，在車聯(lián)網(wǎng)傳輸調度方面，為了實現(xiàn)應用數(shù)據(jù)并行傳輸，MPTCP 允許在車聯(lián)網(wǎng)連接中同時建立多個子流連接，并通過擁塞均衡的路徑機制實現(xiàn)對子流資源的有效管理，為實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)應用數(shù)據(jù)的并行傳輸和保證各子流之間的公平性提供了潛力［4］。

3 融合多路徑傳輸技術的移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸機制

引入先進傳輸技術，提升現(xiàn)有車載設備通信性能，是移動車聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展必然趨勢。MPTCP 與現(xiàn)有移動車聯(lián)網(wǎng)融合，為車聯(lián)網(wǎng)處理大規(guī)模車載應用數(shù)據(jù)，如流媒體、交通控制等實時性、交互性和個性化車載應用提供可能，如圖1 所示。它可以有效發(fā)揮車載設備的多宿主特性，通過擬合車聯(lián)網(wǎng)鏈路帶寬，實現(xiàn)車載節(jié)點數(shù)據(jù)并行傳輸，提高移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸性能。

Fig.1 Based-MPTCP mobile Internet of vehicles system architecture圖1 融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構

3.1 移動車聯(lián)網(wǎng)多路徑并行數(shù)據(jù)傳輸步驟

融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)主要通過以下步驟完成數(shù)據(jù)并行傳輸：

（1）建立車載節(jié)點和車聯(lián)網(wǎng)通訊連接。移動車聯(lián)網(wǎng)的MPTCP 連接與標準TCP 一致，通過3 次握手機制規(guī)則建立連接。

（2）新增車載節(jié)點子流連接。在步驟（1）建立的MPTCP 連接中，利用MPTCP 允許同時建立多條鏈路并行傳輸?shù)奶匦?，充分發(fā)揮車載節(jié)點多宿主接口優(yōu)勢。即同時建立多條和通訊網(wǎng)絡相連的傳輸子流，子流連接建立和MPTCP 連接建立過程相似，只是將MPTCP 建立連接時的選項變成MP_JOIN，用于標識當前操作是添加子流。子流建立后，當高速運動的車載節(jié)點出現(xiàn)當前鏈路通訊不佳狀況時，可以通過路徑切換機制無縫切換成其它鏈路繼續(xù)完成數(shù)據(jù)傳輸，且無需重新傳輸之前中斷鏈路傳遞的數(shù)據(jù)包。

（3）車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包傳遞。融合MPTCP 移動車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包傳輸依然采用標準TCP“按序提交”原則，并新增子流管理機制和擴展TCP 的重傳機制及擁塞控制機制。

（4）關閉連接。MPTCP 將數(shù)據(jù)傳輸完成的信息通知給接收端后，每個子流通過標準TCP 協(xié)議的FIN 選項關閉連接。

3.2 主要優(yōu)勢

融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)具有以下優(yōu)勢：

（1）可靠的傳輸性能。由于MPTCP 實現(xiàn)了多路徑并行傳輸，可以充分利用車載設備配備的多網(wǎng)絡傳輸接口，同時并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)，能夠在高速移動的車載節(jié)點發(fā)送鏈路故障時，重新分配資源，快速修復數(shù)據(jù)傳輸，進而提高車輛通信的可靠性。

（2）靈活的鏈路無縫切換。移動車聯(lián)網(wǎng)屬于高速移動的無線網(wǎng)絡，車載節(jié)點在行駛過程中會頻繁切換接入信號，從而導致連接失敗的情況時常發(fā)生。融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)具備MPTCP 的多宿主、多流特性，在接收端和發(fā)送端之間建立了多條傳輸鏈路，路徑切換機制會根據(jù)傳輸鏈路質量實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)鏈路無縫移動切換，能有效減少路徑切換對車聯(lián)網(wǎng)傳輸通訊吞吐量的影響。

（3）兼容性和擴展能力。融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)對外通過TCP 承接應用層，使得該技術部署無需額外修改車載設備軟硬件程序，新接入設備只要支持傳統(tǒng)傳輸協(xié)議即可便捷接入，兼容性強。

4 融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)應用前景

融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)能夠支持車載系統(tǒng)實現(xiàn)傳輸鏈路無縫切換及數(shù)據(jù)包動態(tài)調度，有效提升現(xiàn)有移動車聯(lián)網(wǎng)的傳輸性能。MPTCP 通過每個子流同時傳輸數(shù)據(jù)，能夠聚合帶寬并提高其容量，為車載節(jié)點通信提供有力支撐，使得移動車聯(lián)網(wǎng)可以同時建立多條通訊鏈路，更好地促進車載系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行。同時，MPTCP 對外承接使用標準TCP 接口，隱匿了MPTCP 多子流接口，實現(xiàn)了對應用層的透明性，新老車載設備無須調整即可直接將其融入車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，發(fā)揮多路徑并行傳輸性能優(yōu)勢。

5 結語

隨著車載設備的網(wǎng)聯(lián)化，人們對內容豐富、實時性強以及安全性穩(wěn)定的車聯(lián)網(wǎng)內容服務（如流媒體服務、安全控制服務）需求越來越高。本文提出融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸機制，旨在為未來車聯(lián)網(wǎng)傳輸性能優(yōu)化提供有益參考。為了進一步驗證該思想，研究組正著手搭建基于NS2［20］的網(wǎng)絡仿真平臺，對融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸性能作進一步探究，為MPTCP 協(xié)議在移動車聯(lián)網(wǎng)的實際部署及應用打好基礎。