車輛自組織網(wǎng)絡路由協(xié)議研究

張靖文 石振剛

摘? 要：車輛自組織網(wǎng)絡（VANET）是一種特殊動態(tài)拓撲的移動自組織網(wǎng)絡。VANET將其中的每輛汽車變成一個移動節(jié)點，車輛在其中相互交換信息，并使用這些節(jié)點創(chuàng)建一個移動動態(tài)網(wǎng)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(jié)點具有高移動性，因此將數(shù)據(jù)包路由到最終目的節(jié)點存在很多挑戰(zhàn)。該文總結(jié)了現(xiàn)有的VANET路由協(xié)議，并對它們進行分類和比較，然后列出了幾種經(jīng)典的路由算法，并分析了它們的特性以及優(yōu)缺點。最后，通過分析車載路由協(xié)議的現(xiàn)狀，闡述了未來車載路由協(xié)議將會遇到的困難和挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：VANET路由協(xié)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(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的交通系統(tǒng)早已不能滿足實際的交通需求。智能交通系統(tǒng)[1]（Intelligent Transportation System，ITS）社會關(guān)注度不斷提高。網(wǎng)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(lián)進而達到全網(wǎng)的信息共享，才能發(fā)揮各自的功能，實現(xiàn)協(xié)同效益。

1? VANET概述

VANET是一種特殊的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，由車載單元和路邊設施（RSU）組成，先利用無線數(shù)據(jù)傳輸與蜂窩網(wǎng)絡，Wi-Fi和無線設備連接，再通過網(wǎng)絡發(fā)送到移動數(shù)據(jù)管理中心。車輛自組織網(wǎng)絡是移動自組織網(wǎng)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(guān)注。VANET提供的服務也已從傳統(tǒng)的駕駛安全要求轉(zhuǎn)變?yōu)楦煽俊⒏娴膴蕵泛蜕钚枨蟆，F(xiàn)在的VANET路由協(xié)議是移動自組織網(wǎng)絡路由協(xié)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(xié)議達到最大吞吐率，VANET開發(fā)出各種類型的路由協(xié)議。

2? VANET路由協(xié)議的分類

車輛自組織網(wǎng)絡路由協(xié)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(xié)議主要有4種類型：基于拓撲的路由協(xié)議、基于位置的路由協(xié)議、基于集群的路由關(guān)聯(lián)協(xié)議、區(qū)域多播路由協(xié)議[3]。相應路由的分類如圖1所示。

2.1 基于拓撲的路由協(xié)議

該協(xié)議是通過網(wǎng)絡中的現(xiàn)有鏈接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，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(fā)相應的網(wǎng)絡安全問題。混合路由是指同時使用兩種方式，根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)將節(jié)點劃分為區(qū)域，區(qū)域內(nèi)和區(qū)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(yōu)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(xié)議

在基于位置的路由協(xié)議中，可以分為無延遲容錯網(wǎng)絡路由和延遲容錯網(wǎng)絡路由。前者的目標是盡快將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥繕斯?jié)點，通常在有效填充的VANET中使用。后者所處的網(wǎng)絡環(huán)境缺乏穩(wěn)定且持久的端到端路徑，并且該節(jié)點將會在找到合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點之前移動數(shù)據(jù)包。

2.3 基于集群的路由關(guān)聯(lián)協(xié)議

該協(xié)議一般更適用于具有集群拓撲的網(wǎng)絡[4]。每個集群都有一個簇頭，用于集群內(nèi)和集群間的通信，而其他節(jié)點只能直接與同一集群的節(jié)點通信。不同的網(wǎng)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(wǎng)絡中性能良好。但在城市車載網(wǎng)絡的某些區(qū)域，由于節(jié)點數(shù)量不足，算法的性能可能較差。

2.4 區(qū)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(zhuǎn)發(fā)到區(qū)域內(nèi)所有車輛節(jié)點。關(guān)鍵是特定地理區(qū)域的選擇或關(guān)聯(lián)區(qū)（Zone of Relevance，ZOR）的定義。典型路由包括IVG、AGR路由。這種協(xié)議的一個缺點是網(wǎng)絡劃分中存在有害的鄰居節(jié)點，這會阻礙消息的正確轉(zhuǎn)發(fā)。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(fā)事件等信息。廣播路由是以泛洪的形式傳遞消息，每個節(jié)點將接收到的消息轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)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(jīng)典的VANET路由協(xié)議

VANET路由協(xié)議可分為基于拓撲的路由協(xié)議和基于位置的路由協(xié)議[6]。其中最常見的是動態(tài)源路由（DSR）、超移動寬帶（UMB）、優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由（OLSR）、網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議（GRP）和按需被動路由（AODV）。

3.1 基于拓撲的路由協(xié)議

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

該協(xié)議依賴于與定位相關(guān)的算法，提供了用于路徑選擇的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡中每個節(jié)點周期性的將自己地理位置信息發(fā)送給周圍的節(jié)點，當需要傳輸數(shù)據(jù)時，路由協(xié)議根據(jù)這些信息采取一定的選擇策略進行下一跳節(jié)點的選取進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。這些協(xié)議不服務于任何與路由相關(guān)的表，以及與附近節(jié)點的加入狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)或任何信息。優(yōu)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(jié)點要求較高，在節(jié)點分布不均且密度低的環(huán)境下，穩(wěn)定性較差。

3.3 AODV

該協(xié)議取決于與按需方法相關(guān)的機制，在VANET節(jié)點將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)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(xié)議，信息只在節(jié)點之間以按需模式傳輸。當一個節(jié)點想要在沒有預定義路由的情況下，將流量傳輸?shù)街鳈C節(jié)點時，它將創(chuàng)建（RREQ）路由請求消息，并以一種受限的方式泛洪到其他節(jié)點，圖2描述了AODV的工作方式。

AODV的工作模式具體如下。

當節(jié)點正在尋找到節(jié)點的路徑時，它會發(fā)送路由請求消息（RREQ）[7]。如果接收方是使用所需地址的節(jié)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?shù)絉REQ的源功能路徑（RERR）中，節(jié)點觀察到路由躍點鏈路的狀態(tài)（RREP）。為了報告技術(shù)激活，每個節(jié)點都會保留一個“前驅(qū)列表”，其中包括其鄰居的IP地址，可能將其用作每個目標節(jié)點中的下一跳。

優(yōu)點：AODV可用于大型VANET網(wǎng)絡。路由冗余和過多的內(nèi)存需求被最小化，距離序列號提供了到目的節(jié)點的最近路由。

缺點：由于會先發(fā)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(shù)據(jù)包時，會產(chǎn)生高控制開銷。當中間節(jié)點中包含舊條目時，可能會出現(xiàn)路由不一致。

3.4 DSR

動態(tài)源路由協(xié)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(guān)該節(jié)點最近轉(zhuǎn)發(fā)或發(fā)起的路由請求數(shù)據(jù)包的記錄集合，按照路由發(fā)現(xiàn)的目標歸屬地址進行分區(qū)。

（2）在虛擬VANET網(wǎng)絡中，每個節(jié)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(xié)議存儲新加入節(jié)點與路由有關(guān)的所有請求信息[8]。

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

（4）在緩沖區(qū)中注冊后的每個數(shù)據(jù)包都應該從發(fā)送緩沖區(qū)中刪除，并在發(fā)送緩沖區(qū)超時后將其刪除，該時間還與將其注冊到緩沖區(qū)中的時間相關(guān)聯(lián)。

優(yōu)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(chǎn)生額外的過載且信標少。

缺點：損壞的數(shù)據(jù)無法在本地進行恢復，在高流量的VANET網(wǎng)絡中，報頭中的路徑數(shù)據(jù)會產(chǎn)生字節(jié)開銷，性能下降。

3.5 OLSR

OLSR[9]是使用主動模式的路由協(xié)議。鏈路狀態(tài)方案被該協(xié)議以增強的方式用來循環(huán)拓撲信息。OLSR也使用這種機制，但是為了保持帶寬，隨著協(xié)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(xié)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(shù)據(jù)，并且控制流量是基于從這些表返回的信息產(chǎn)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(yōu)點：廣播模式下，減少二次發(fā)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(zhuǎn)發(fā)中，使用3種VANET路由機制將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點的最近鄰居。為了選擇鄰居節(jié)點而使用這些路由機制。第二種方法是周邊路由，發(fā)送者節(jié)點確定接收者節(jié)點的估計位置，消息被發(fā)送到接收者節(jié)點的最近鄰居。定位方案負責收集消息，例如GPS。

4? 結(jié)語

該文對現(xiàn)有的VANET路由協(xié)議進行了總結(jié)、分類和比較，并分析其特性和優(yōu)缺點。在VANET背景下的多用途及全面的現(xiàn)實生活場景，盡管已經(jīng)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(shù)研究不僅范圍有限，而且還僅限于特定的場景。隨著VANET技術(shù)的發(fā)展，如何利用先進的工具找到更有效、更安全的路由協(xié)議，未來所面臨的挑戰(zhàn)仍然艱巨。解決方案應考慮最少的跳數(shù)和最穩(wěn)定的方式。路由協(xié)議是VANET最重要的部分，決定了智慧城市的發(fā)展方向，但目前仍面臨安全方面的挑戰(zhàn)，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(xié)議建立機器學習模型，為VANET建立更穩(wěn)定的傳輸路徑包及以后的路由提供基礎和參考。

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